一種提高木質(zhì)纖維素糖化效果的組合預(yù)處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及木質(zhì)纖維素制取生物乙醇預(yù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)講是一種堿/尿素與超聲組合的兩步法預(yù)處理木質(zhì)纖維素的工藝。
【背景技術(shù)】
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[0002]隨著全球能源危機(jī)的加劇，目前對(duì)可替代能源的開(kāi)發(fā)研究成為熱點(diǎn)問(wèn)題。木質(zhì)纖維素制取燃料乙醇由于具有較高的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價(jià)值受到各方關(guān)注。第一代生物質(zhì)燃料乙醇以糖類(lèi)和淀粉類(lèi)等為原料，但面臨著成本上升、與人爭(zhēng)地的問(wèn)題；以農(nóng)林廢棄物作為第二代生物質(zhì)原料制取燃料乙醇成為最適合的替代能源之一。
[0003]木質(zhì)纖維素是植物光合作用的主要產(chǎn)物，其主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。其中纖維素是骨骼物質(zhì)，木質(zhì)素和半纖維素以包容物質(zhì)的形式分散在纖維素之間及其周?chē)?，三種成分之間主要通過(guò)共價(jià)鍵緊密連結(jié)，同時(shí)存在一定程度的化學(xué)鍵。因此，木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定。
[0004]有別于第一代能夠直接糖化發(fā)酵的生物質(zhì)原料，目前以農(nóng)林廢棄物為主的第二代原料，由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜穩(wěn)定性，利用其制取燃料乙醇的主要瓶頸在于預(yù)處理技術(shù)。預(yù)處理的主要目的是在最大限度保留纖維素的基礎(chǔ)上，對(duì)木質(zhì)素的脫除以及破壞纖維素的結(jié)晶度和聚合度，從而提高纖維素酶酶解效率。
[0005]目前常規(guī)的預(yù)處理技術(shù)主要分為物理法、化學(xué)法和生物法。物理法主要有球磨法、蒸汽爆破法，其中蒸汽爆破法雖然酶解效率較高，但其對(duì)設(shè)備要求高，投入大，制約了規(guī)?；a(chǎn)?；瘜W(xué)方法，如酸法、堿法，其中酸預(yù)處理對(duì)木質(zhì)素脫除效果不明顯，并且容易產(chǎn)生微生物發(fā)酵抑止物，增加了后續(xù)處理的難度，此外酸對(duì)預(yù)處理裝置的腐蝕性也是制約其工業(yè)化的重要原因之一；堿預(yù)處理相對(duì)于酸法反應(yīng)器成本較低、操作安全，但仍需廢水和殘余物的回收處理工序。生物法則主要采用白腐霉等真菌預(yù)處理，處理?xiàng)l件溫和但預(yù)處理效果不佳，且時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不易于工業(yè)投產(chǎn)。因此，一種低成本的高效預(yù)處理技術(shù)對(duì)于推動(dòng)木質(zhì)纖維素制取燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]為了解決現(xiàn)有木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種超聲聯(lián)合堿/尿素預(yù)處理的工藝，提高了木質(zhì)纖維素的酶解糖化效率。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0008](I)將木質(zhì)纖維素用超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0009](2)進(jìn)一步將木質(zhì)纖維素置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為1:10-1:30 (g/ml)加入濃度為1% /2% -4% /6%的NaOH/尿素溶液，靜置于_10°C _20°C恒溫環(huán)境中2_6h后，過(guò)濾分離得到濕渣A。
[0010](3)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣A，直至沖洗液pH呈中性，置于50-60°C烘干至恒重得干渣B。
[0011](4)進(jìn)一步將干渣B置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為1:30-1:50 (g/ml)加入超純水，置于100-150W超聲儀器下超聲20-40min，過(guò)濾分離得濕渣C。
[0012](5)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于50-60 °C烘干至丨旦重。
[0013]本發(fā)明提供的預(yù)處理方法的優(yōu)勢(shì)在于:
[0014](I)利用NaOH/尿素溶液預(yù)處理與超聲預(yù)處理結(jié)合的兩步法，去除半纖維素和木質(zhì)素組分，破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，使得原料表面變得粗糙且疏松多孔，大大增加了酶解糖化時(shí)的可及表面。
[0015](2)經(jīng)該組合工藝預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素能夠大幅提高酶解糖化效率，相比于未經(jīng)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素，酶解效率提高為原來(lái)的3.3倍以上。
[0016](3)預(yù)處理過(guò)程中第一步溫度條件在我國(guó)北部一些地區(qū)不需消耗任何能源就可達(dá)至IJ，本發(fā)明在這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。
[0017](4)該預(yù)處理方法處理時(shí)間短，對(duì)設(shè)備要求低，設(shè)備投入不高、操作簡(jiǎn)單、處理?xiàng)l件溫和、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
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[0018]圖1:經(jīng)本發(fā)明組合預(yù)處理后木質(zhì)纖維素各組分變化
[0019]圖2:經(jīng)本發(fā)明組合預(yù)處理的木質(zhì)纖維素預(yù)處理前后掃描電鏡分析
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0021]實(shí)施例1
[0022](I)將水稻秸桿粉碎后40目過(guò)篩，超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0023](2)進(jìn)一步將木質(zhì)纖維素置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為1:20 (g/ml)加入濃度為2% /3%的NaOH/尿素溶液，靜置于4°C恒溫環(huán)境中4h后，過(guò)濾分離得到濕渣A。
[0024](3)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣A，直至沖洗液pH呈中性，置于50-60°C烘干至恒重得干渣B。
[0025](4)進(jìn)一步將干渣B置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為l:40(g/ml)加入超純水，置于120W超聲儀器下超聲30min，過(guò)濾分離得濕渣C。
[0026](5)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于55 °C烘干至恒重。
[0027]通過(guò)本實(shí)施例的實(shí)施，水稻秸桿各組分含量發(fā)生顯著變化，木質(zhì)素及半纖維素含量顯著降低，而纖維素含量升高(如附圖1)。木質(zhì)素和半纖維素的去除，使得水稻秸桿的結(jié)構(gòu)更容易被酶解糖化；掃描電鏡圖像(如附圖2)所示，未經(jīng)預(yù)處理的水稻秸桿(a、b、c)呈直桿狀且桿徑較粗，表面平整光滑；而經(jīng)本實(shí)施例預(yù)處理后的水稻秸桿(d、e、f)相對(duì)較細(xì)，且水稻秸桿表面粗糙，出現(xiàn)嚴(yán)重孔洞現(xiàn)象，能夠增大酶的可及表面。兩者作用相結(jié)合能都大大加速纖維素酶對(duì)水稻秸桿的水解，使得酶解液中還原糖含量由1.73g/L提高至5.7g/L，酶解效率提高為原來(lái)的3.3倍。
[0028]實(shí)施例2
[0029](I)將水稻秸桿粉碎后40目過(guò)篩，超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0030](2)進(jìn)一步將木質(zhì)纖維素置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為1:20 (g/ml)加入濃度為2% /3%的NaOH/尿素溶液，靜置于_10°C恒溫環(huán)境中4h后，過(guò)濾分離得到濕渣A。
[0031 ] (3)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣A，直至沖洗液pH呈中性，置于50-60°C烘干至恒重得干渣B。
[0032](4)進(jìn)一步將干渣B置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為l:40(g/ml)加入超純水，置于120W超聲儀器下超聲30min，過(guò)濾分離得濕渣C。
[0033](5)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于55 °C烘干至恒重。
[0034]經(jīng)本實(shí)施例預(yù)處理后的水稻秸桿酶解液中還原糖含量從1.73g/L提高到5.65g/L，酶解效率提高為原來(lái)的3.3倍。
[0035]實(shí)施例3
[0036](I)將水稻秸桿粉碎后40目過(guò)篩，超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0037](2)進(jìn)一步將木質(zhì)纖維素置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為1:20 (g/ml)加入濃度為4% /6%的NaOH/尿素溶液，靜置于_10°C恒溫環(huán)境中4h后，過(guò)濾分離得到濕渣A。
[0038](3)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣A，直至沖洗液pH呈中性，置于50-60°C烘干至恒重得干渣B。
[0039](4)進(jìn)一步將干渣B置于適當(dāng)大小容器中，按固液比為l:40(g/ml)加入超純水，置于120W超聲儀器下超聲30min，過(guò)濾分離得濕渣C。
[0040](5)進(jìn)一步用蒸餾水反復(fù)沖洗過(guò)濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于55 °C烘干至恒重。
[0041]經(jīng)本實(shí)施例預(yù)處理后的水稻秸桿酶解液中還原糖含量從1.73g/L提高到6.57g/L，酶解效率提高為原來(lái)的3.8倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高木質(zhì)纖維素糖化效果的組合預(yù)處理工藝，其特征在于:包括以下幾個(gè)步驟: (O堿/尿素預(yù)處理:將木質(zhì)纖維素按固液比為1:10-1:30 (g/ml)加入濃度為1%/2%-4%/6%的NaOH/尿素溶液，靜置于_10°C _20°C恒溫環(huán)境中2_6 h后，過(guò)濾分離，所得木質(zhì)纖維素用超純水清洗至PH呈中性后，烘干至恒重； (2)超聲預(yù)處理:將步驟(I)所得木質(zhì)纖維素按固液比為1:30-1:50 (g/ml)加入超純水，置于100-150 W超聲儀器下超聲20-40 min后，過(guò)濾分離，所得木質(zhì)纖維素用超純水清洗至pH呈中性后，烘干至恒重，完成木質(zhì)纖維素的預(yù)處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高木質(zhì)纖維素糖化效果的組合預(yù)處理方法，其特征為步驟(I)中所述的堿/尿素預(yù)處理為NaOH/尿素溶液。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高木質(zhì)纖維素糖化效果的組合預(yù)處理方法，其特征為步驟(1)中木質(zhì)纖維素按固液比為1:10-1:30(g/ml)加入濃度為1%/2%_4%/6%的NaOH/尿素溶液，靜置于-10°C -20°C恒溫環(huán)境中2-6 ho4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高木質(zhì)纖維素糖化效果的組合預(yù)處理方法，其特征為步驟(2)中木質(zhì)纖維素按固液比為1:30-1:50(g/ml)加入超純水，置于100-150 W超聲儀器下超聲 20-40 min。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明為提高木質(zhì)纖維素糖化效果的組合預(yù)處理工藝，本工藝先利用堿/尿素溶液對(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行第一步處理，通過(guò)化學(xué)處理去除木質(zhì)纖維素原料中的部分木質(zhì)素和半纖維素成分，并在一定程度上破壞木質(zhì)纖維素的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；再進(jìn)一步利用超聲波進(jìn)行物理處理，使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變得更松散。經(jīng)本工藝預(yù)處理后，木質(zhì)纖維素的組分含量發(fā)生明顯變化，纖維素所占比例顯著升高；此外，木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化，原料表面變得粗糙且疏松多孔，大大增加了酶解糖化時(shí)的可及表面。本組合預(yù)處理工藝具有設(shè)備要求不高、操作簡(jiǎn)單、處理?xiàng)l件溫和、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可大幅提升木質(zhì)纖維素的糖化效率。
【IPC分類(lèi)】C12P19/14
【公開(kāi)號(hào)】CN105002232
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510464139
【發(fā)明人】陳躍輝, 司夢(mèng)瑩, 戴友芝, 張年磊, 周沫
【申請(qǐng)人】湘潭大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年7月31日