一種提高木質纖維素糖化效果的組合預處理工藝的制作方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及木質纖維素制取生物乙醇預處理技術領域，具體來講是一種堿/尿素與超聲組合的兩步法預處理木質纖維素的工藝。
【背景技術】
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[0002]隨著全球能源危機的加劇，目前對可替代能源的開發研究成為熱點問題。木質纖維素制取燃料乙醇由于具有較高的環境和經濟價值受到各方關注。第一代生物質燃料乙醇以糖類和淀粉類等為原料，但面臨著成本上升、與人爭地的問題；以農林廢棄物作為第二代生物質原料制取燃料乙醇成為最適合的替代能源之一。
[0003]木質纖維素是植物光合作用的主要產物，其主要成分為纖維素、半纖維素和木質素。其中纖維素是骨骼物質，木質素和半纖維素以包容物質的形式分散在纖維素之間及其周圍，三種成分之間主要通過共價鍵緊密連結，同時存在一定程度的化學鍵。因此，木質纖維素結構復雜且穩定。
[0004]有別于第一代能夠直接糖化發酵的生物質原料，目前以農林廢棄物為主的第二代原料，由于木質纖維素結構的復雜穩定性，利用其制取燃料乙醇的主要瓶頸在于預處理技術。預處理的主要目的是在最大限度保留纖維素的基礎上，對木質素的脫除以及破壞纖維素的結晶度和聚合度，從而提高纖維素酶酶解效率。
[0005]目前常規的預處理技術主要分為物理法、化學法和生物法。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，但其對設備要求高，投入大，制約了規模化生產。化學方法，如酸法、堿法，其中酸預處理對木質素脫除效果不明顯，并且容易產生微生物發酵抑止物，增加了后續處理的難度，此外酸對預處理裝置的腐蝕性也是制約其工業化的重要原因之一；堿預處理相對于酸法反應器成本較低、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處理，處理條件溫和但預處理效果不佳，且時間過長，不易于工業投產。因此，一種低成本的高效預處理技術對于推動木質纖維素制取燃料乙醇的工業化生產具有重要意義。
【發明內容】
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[0006]為了解決現有木質纖維素預處理技術存在的問題，本發明提供了一種超聲聯合堿/尿素預處理的工藝，提高了木質纖維素的酶解糖化效率。
[0007]本發明的技術方案為:
[0008](I)將木質纖維素用超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0009](2)進一步將木質纖維素置于適當大小容器中，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恒溫環境中2_6h后，過濾分離得到濕渣A。
[0010](3)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣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)進一步將干渣B置于適當大小容器中，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，過濾分離得濕渣C。
[0012](5)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于50-60 °C烘干至丨旦重。
[0013]本發明提供的預處理方法的優勢在于:
[0014](I)利用NaOH/尿素溶液預處理與超聲預處理結合的兩步法，去除半纖維素和木質素組分，破壞木質纖維素結構，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的可及表面。
[0015](2)經該組合工藝預處理后的木質纖維素能夠大幅提高酶解糖化效率，相比于未經預處理的木質纖維素，酶解效率提高為原來的3.3倍以上。
[0016](3)預處理過程中第一步溫度條件在我國北部一些地區不需消耗任何能源就可達至IJ，本發明在這些地區經濟效益顯著增加。
[0017](4)該預處理方法處理時間短，對設備要求低，設備投入不高、操作簡單、處理條件溫和、成本低廉等優點。
【附圖說明】
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[0018]圖1:經本發明組合預處理后木質纖維素各組分變化
[0019]圖2:經本發明組合預處理的木質纖維素預處理前后掃描電鏡分析
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。
[0021]實施例1
[0022](I)將水稻秸桿粉碎后40目過篩，超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0023](2)進一步將木質纖維素置于適當大小容器中，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恒溫環境中4h后，過濾分離得到濕渣A。
[0024](3)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣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)進一步將干渣B置于適當大小容器中，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，過濾分離得濕渣C。
[0026](5)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于55 °C烘干至恒重。
[0027]通過本實施例的實施，水稻秸桿各組分含量發生顯著變化，木質素及半纖維素含量顯著降低，而纖維素含量升高(如附圖1)。木質素和半纖維素的去除，使得水稻秸桿的結構更容易被酶解糖化；掃描電鏡圖像(如附圖2)所示，未經預處理的水稻秸桿(a、b、c)呈直桿狀且桿徑較粗，表面平整光滑；而經本實施例預處理后的水稻秸桿(d、e、f)相對較細，且水稻秸桿表面粗糙，出現嚴重孔洞現象，能夠增大酶的可及表面。兩者作用相結合能都大大加速纖維素酶對水稻秸桿的水解，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的3.3倍。
[0028]實施例2
[0029](I)將水稻秸桿粉碎后40目過篩，超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0030](2)進一步將木質纖維素置于適當大小容器中，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恒溫環境中4h后，過濾分離得到濕渣A。
[0031 ] (3)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣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)進一步將干渣B置于適當大小容器中，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，過濾分離得濕渣C。
[0033](5)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于55 °C烘干至恒重。
[0034]經本實施例預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的3.3倍。
[0035]實施例3
[0036](I)將水稻秸桿粉碎后40目過篩，超純水清洗兩遍，于55°C烘干至恒重。
[0037](2)進一步將木質纖維素置于適當大小容器中，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恒溫環境中4h后，過濾分離得到濕渣A。
[0038](3)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣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)進一步將干渣B置于適當大小容器中，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，過濾分離得濕渣C。
[0040](5)進一步用蒸餾水反復沖洗過濾分離得到的濕渣C，直至沖洗液pH呈中性，置于55 °C烘干至恒重。
[0041]經本實施例預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的3.8倍。
【主權項】
1.一種提高木質纖維素糖化效果的組合預處理工藝，其特征在于:包括以下幾個步驟: (O堿/尿素預處理:將木質纖維素按固液比為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恒溫環境中2_6 h后，過濾分離，所得木質纖維素用超純水清洗至PH呈中性后，烘干至恒重； (2)超聲預處理:將步驟(I)所得木質纖維素按固液比為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，過濾分離，所得木質纖維素用超純水清洗至pH呈中性后，烘干至恒重，完成木質纖維素的預處理。2.根據權利要求1所述的提高木質纖維素糖化效果的組合預處理方法，其特征為步驟(I)中所述的堿/尿素預處理為NaOH/尿素溶液。3.根據權利要求1所述的提高木質纖維素糖化效果的組合預處理方法，其特征為步驟(1)中木質纖維素按固液比為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恒溫環境中2-6 ho4.根據權利要求1所述的提高木質纖維素糖化效果的組合預處理方法，其特征為步驟(2)中木質纖維素按固液比為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。
【專利摘要】本發明為提高木質纖維素糖化效果的組合預處理工藝，本工藝先利用堿/尿素溶液對木質纖維素原料進行第一步處理，通過化學處理去除木質纖維素原料中的部分木質素和半纖維素成分，并在一定程度上破壞木質纖維素的穩定結構；再進一步利用超聲波進行物理處理，使木質纖維素結構變得更松散。經本工藝預處理后，木質纖維素的組分含量發生明顯變化，纖維素所占比例顯著升高；此外，木質纖維素的結構也發生了顯著變化，原料表面變得粗糙且疏松多孔，大大增加了酶解糖化時的可及表面。本組合預處理工藝具有設備要求不高、操作簡單、處理條件溫和、成本低廉等優點，可大幅提升木質纖維素的糖化效率。
【IPC分類】C12P19/14
【公開號】CN105002232
【申請號】CN201510464139
【發明人】陳躍輝, 司夢瑩, 戴友芝, 張年磊, 周沫
【申請人】湘潭大學
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月31日