一種提高禾本科原料纖維素酶解糖化率的預(yù)處理工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種預(yù)處理工藝，屬于新能源領(lǐng)域，具體公開了一種提高禾本科原料纖維素酶解糖化率的預(yù)處理工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，能源需求量的增長(zhǎng)與不可再生石化資源的短缺之間的矛盾日益突出，因此，利用可再生資源生產(chǎn)新能源已成為科技工作者研究的熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的谷物燃料，木質(zhì)纖維素燃料具備“不與人爭(zhēng)糧、不與糧爭(zhēng)地”的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的可持續(xù)能源之一。
[0003]纖維素是植物細(xì)胞壁的三大組分(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素)之一，由半徑為2-3nm的微纖絲形成，成千上萬(wàn)的纖維束被木素和半纖維素包裹形成了尺寸在10-100μπι的植物細(xì)胞壁。植物細(xì)胞壁這種復(fù)雜穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)使其對(duì)化學(xué)和生物降解均具有天然的頑抗性。此外，纖維素分子鏈由葡萄糖單體通過(guò)￠-(1-4)糖苷鍵連接而成，而且鏈間以及鏈內(nèi)含有大量的氫鍵，存在難以降解破壞的結(jié)晶區(qū)。由于其復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)及天然的抗降解性，木質(zhì)生物質(zhì)降解前的預(yù)處理過(guò)程已成為其高效利用的必要途徑。預(yù)處理的目標(biāo)是疏松或破壞纖維素的致密結(jié)構(gòu)以及木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素的包裹，使纖維素、半纖維素和木素相對(duì)容易分離，從而提高水解劑對(duì)纖維素的可及度和催化效率，使碳水化合物易于轉(zhuǎn)變成可發(fā)酵性糖，從而用來(lái)生產(chǎn)纖維素乙醇。在生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭砂l(fā)酵性糖的過(guò)程中，預(yù)處理過(guò)程一直被認(rèn)為是成本耗費(fèi)最高的一個(gè)步驟。在纖維素類能源植物中，禾本科能源植物具有生長(zhǎng)周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。因此，有必要研究開發(fā)一種能夠提高禾本科原料纖維素酶解糖化率的預(yù)處理工藝，達(dá)到降低預(yù)處理成本和提高預(yù)處理效率的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種提高禾本科原料纖維素酶解糖化率的預(yù)處理工藝。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種提高禾本科原料纖維素酶解糖化率的預(yù)處理工藝，包括以下步驟:
[0007](1)將脫蠟處理的禾本科原料中加入離子液體[Emim]Ac和堿性鹽(優(yōu)選:碳酸鈉，優(yōu)點(diǎn):碳酸鈉與碳酸氫鈉的市場(chǎng)價(jià)格差不多，但是碳酸鈉的堿性要比碳酸氫鈉的強(qiáng)，選用碳酸鈉微調(diào)ph時(shí)用量更少，鉀鹽價(jià)格則偏高)。
[0008](2)將步驟(1)的混合物在02存在的情況下加熱反應(yīng)即可完成預(yù)處理(優(yōu)選:脫蠟處理的禾本科原料與離子液體[Emim] Ac的質(zhì)量體積比為1:20)。
[0009]優(yōu)選:所述步驟(1)中離子液體[Emim]Ac的質(zhì)量濃度為50%(S卩:[Emim]Ac與水按質(zhì)量比為1:1混合。并向混合液中加入5%。(w/w)的無(wú)水碳酸鈉(無(wú)水碳酸鈉的作用是微調(diào)體系Ph，加入更少量的無(wú)水碳酸鈉，不能達(dá)到很好的效果，加入5%Q(w/w)的無(wú)水碳酸鈉進(jìn)行預(yù)處理，還原糖得率已經(jīng)達(dá)到一個(gè)很高的水平。此處的5%Q(w/w)指的是無(wú)水碳酸鈉與離子液體水體系的質(zhì)量比)。
[0010]優(yōu)選:所述步驟(2)中反應(yīng)壓力1.2MPa(壓力過(guò)低導(dǎo)致氧脫木素的作用不明顯，在該壓力下，能夠達(dá)到較好的預(yù)處理效果，從經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度考慮，使用該壓力進(jìn)行預(yù)處理是最優(yōu)選擇)。
[0011]優(yōu)選:上述工藝還包括步驟(3)反應(yīng)結(jié)束后，向反應(yīng)物中加入與離子液體等體積的70-90°C (優(yōu)選:80°C)的水并攪拌(優(yōu)選:250rpm/min攪拌lh。)
[0012]優(yōu)選:上述工藝還包括步驟(4)步驟(3)結(jié)束后，對(duì)反應(yīng)物離心分離，轉(zhuǎn)速為3800rpm/min，洗滌上述分離出的預(yù)處理物料直到洗液的PH為中性為止，并收集上述分離出的預(yù)處理液。
[0013]優(yōu)選:上述工藝還包括步驟(5)將步驟(4)中洗滌好的預(yù)處理物料在55°C下烘干，并通過(guò)旋蒸的方法回收離心后液體中的離子液體，旋蒸時(shí)的溫度為75°C。
[0014]優(yōu)選:所述步驟(1)中的脫蠟步驟如下:將禾本科原料粉碎成40-60目的物料，將甲苯和體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇按照體積比2:1的比例混合成苯醇抽提液(苯醇抽提液能夠更好的脫除原料中含有的樹脂、脂肪和蠟質(zhì))用該溶液抽提粉碎后的物料，抽提溫度為80°C、時(shí)間為5h，抽提后的物料在50°C下烘干。
[0015]優(yōu)選:所述步驟(2)的反應(yīng)溫度110-130°C、時(shí)間為15-60min。
[0016]本發(fā)明將水性離子液體([Emim]Ac])與水按照質(zhì)量比1:1的比例混合并通過(guò)添加無(wú)水碳酸鈉微調(diào)體系的pH制成預(yù)處理溶劑，然后將物料與該預(yù)處理溶劑按照質(zhì)量體積比為1: 20的比例均勾混合，并向該體系中通入02，在110-130°(3下進(jìn)行預(yù)處理15-60111；[11，該預(yù)處理方法改善了離子液體預(yù)處理技術(shù)和濕氧化法預(yù)處理技術(shù)，大大提高了禾本科原料纖維素酶解糖化率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用“02/[Emim]Ac體系”對(duì)禾本科草類原料進(jìn)行預(yù)處理，能夠在很大程度上提高原料的酶解效率。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018](1)運(yùn)用“02/[Emim]Ac體系”對(duì)禾本科草類原料進(jìn)行預(yù)處理，在破壞纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高了木素的脫除率，顯著提高了后續(xù)的酶解糖化率；
[0019](2)預(yù)處理液中含有離子液體和水，通過(guò)蒸發(fā)濃縮可除去多余的水分，從而回收離子液體，用回收后的離子液體進(jìn)行“02/[Emim]Ac體系”預(yù)處理仍然具有顯著提高酶解糖化率的效果，從而可節(jié)約預(yù)處理成本；
[0020](3)本發(fā)明中，“02/[Emim]Ac體系”預(yù)處理在120°C下處理15min即可達(dá)到較好的預(yù)處理效果，因此可降低預(yù)處理過(guò)程中的能量消耗，提高預(yù)處理效率；
[0021](4)本發(fā)明提高了禾本科原料纖維素酶解糖化率，為生產(chǎn)纖維素乙醇提供了一種有效的預(yù)處理方法，使禾本科能源草的利用價(jià)值大大提高。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為實(shí)施例1-5中，酶解后的葡萄糖濃度與酶解時(shí)間的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
[0024]物料經(jīng)脫蠟處理后直接進(jìn)行酶水解，按下列步驟進(jìn)行:
[0025](1)將禾本科原料粉碎成40-60目的物料，將甲苯和95%的乙醇按照體積比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用該溶液抽提粉碎后的物料，抽提溫度為80°C、時(shí)間為5h，抽提后的物料在50°C下烘干；
[0026](2)將步驟(1)中的物料進(jìn)行纖維素酶水解，酶解溫度為50°C，時(shí)間為60h，酶活為20FPU/g (基質(zhì))；
[0027]酶解后的最終葡萄糖濃度為1.25g/L0
[0028]實(shí)施例2
[0029]“離子液體水溶液體系”預(yù)處理雜交狼尾草對(duì)纖維素酶解率的影響，按下列步驟處理:
[0030](1)將禾本科原料粉碎成40-60目的物料，將甲苯和95%的乙醇按照體積比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用該溶液抽提粉碎后的物料，抽提溫度為80°C，時(shí)間為5h，抽提后的物料在50°C下烘干；
[0031 ] (2)將離子液體[Emim]Ac與水按照質(zhì)量比1:1的比例混合并向該混合液中加入5%0(w/w)的無(wú)水碳酸鈉，將步驟(1)中的預(yù)處理物料與該預(yù)處理溶劑按照質(zhì)量比1:20的比例混合；
[0032 ] (3)對(duì)步驟(2)的反應(yīng)釜加熱，溫度為120°C、時(shí)間為15min;
[0033](4)步驟(3)結(jié)束后，向反應(yīng)釜中加入與預(yù)處理溶劑等體積的溫水并攪拌，水溫為80°C，時(shí)間為 lh，轉(zhuǎn)速為 250rpm/min;
[0034](5)步驟(4)結(jié)束后，對(duì)物料通過(guò)離心機(jī)進(jìn)行固液分離，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3800rpm/min洗滌上述分離出的預(yù)處理物料直到洗液的pH為中性為止；
[0035](6)將步驟(6)中洗滌好的預(yù)處理物料在55°C下烘干；
[0036](7)將步驟(6)中的預(yù)處理物料進(jìn)行纖維素酶水解，溫度為50°C，時(shí)間為60h，酶活為 20FPU/g(基質(zhì))；
[0037]結(jié)果:“離子液體水溶液體系”預(yù)處理雜交狼尾草纖維素酶解后的最終葡萄糖濃度為3.37g/L，相對(duì)于未經(jīng)“離子液體水溶液體系”處理的物料(實(shí)施例1)相比，葡萄糖濃度提高了2.7倍。
[0038]實(shí)施例3
[0039]“02/水體系”預(yù)處理雜交狼尾草對(duì)纖維素酶解率的影響，按下列步驟處理:
[0040](1)將禾本科原料粉碎成40-60目的物料，將甲苯和95%的乙醇按照體積比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用該溶液