CN103555774B

CN103555774B - 一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法

Info

Publication number: CN103555774B
Application number: CN201310545845.4A
Authority: CN
Inventors: 沈飞; 王卿; 曾咏梅; 杨刚; 张延宗; 蔺丽丽; 邓仕槐; 王莉淋; 肖鸿; 李远伟
Original assignee: Sichuan Agricultural University
Current assignee: Sichuan Agricultural University
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: CN103555774A

Abstract

本发明公开了一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法。本发明利用浓磷酸作为溶剂，过氧化氢作为催化剂将木质纤维素原料中的木质素和半纤维素去除，实现纤维素解晶，之后向溶液中加入水，使溶液中的纤维素再生，得到结晶度与聚合度都很低的适用于酶水解的再生纤维素，将再生纤维素通过过滤分离后用于酶水解产生发酵性糖，水解效率为75%-100%。本发明适用于农作物秸秆、林竹木以及野生草本或木本等不同种类木质纤维素原料，具有操作简单、能耗较低、清洁无污染、原料的粒径要求低、原料适应性强的优点，且预处理效果理想。

Description

一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法

技术领域

本发明涉及用于生产纤维素乙醇及其它以纤维素糖基为原料的生物基产品生产的木质纤维素原料的预处理方法，尤其涉及的是一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法。

背景技术

目前，支撑世界经济发展的主要能源仍然是石油、天然气、原煤。化石能源的使用加快生态环境恶化，对人类的生存构成巨大威胁。根据2012年世界各国一次能源消费结构可知清洁能源在各国的能源消费中所占的比重都很小，在中国不足1.5%，可见我国面对的能源问题尤为突出。燃料乙醇作为一种清洁能源在巴西等国家早已广泛使用，而在中国却刚刚起步。我国的十八大报告已经指出：要“推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量，加强节能降耗，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源的发展，确保国家能源安全”，以及要“大力推进生态文明建设”等，可见燃料乙醇蕴藏着巨大的应用前景和市场潜力。

传统的用于燃料乙醇生产的原料一般源于粮食、甘蔗等淀粉或糖含量较高的生物质。但在全球粮食资源匮乏的背景下，发展以粮食为主的生物乙醇生产，必将导致乙醇生产与人争粮，粮争地的矛盾现状。相比传统的燃料乙醇生产原料，木质纤维素原料（如：农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、以及其他木质纤维素的下脚料），因其资源丰富，而成为生物乙醇生产的潜在主要的资源。

木质纤维素是由木质素、纤维素、和半纤维素三种组分通过共价键联结成的网络结构。木质素是苯丙基烷结构单元通过C-C键连接而成的高分子结构，不能水解成单糖用于生物乙醇转化。但它包裹纤维素和半纤维素，阻碍着木质纤维素乙醇的转化。半纤维素则有葡聚糖、木聚糖、半乳聚糖、***聚糖以及甘露聚糖以不同比例组合连接的，其结构排列疏松，无晶体性质，比较容易水解。但半纤维的存在也阻碍着木质纤维素的转化。纤维素是由葡萄糖通过β-1,4糖苷键联接而成的线性长链高分子聚合物，是纤维素乙醇转化的主要物质基础。纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧集团之间形成氢键，这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构，并且组成复杂的微纤维，这也成为木质纤维素进行生物乙醇转化的另外一个障碍。因此，要利用木质纤维素类原料进行生物乙醇转化，首先需要对原料进行预处理破坏木质纤维素结构，降低木质素和半纤维素的阻碍，使纤维素结构疏松并充分的暴露，以便后续生物转化过程顺利高效进行。

高效利用木质纤维素进行生物乙醇转化的关键在于：1）有效的去除或降低木质素对酶水解的阻碍；2）有效的降低半纤维素的位阻效应；3）破坏纤维素的结晶结构，使纤维素结构松散，使酶水解或化学水解容易进行。因此，能否通过有效的预处理技术将木质纤维素原料的结构破坏，将纤维素暴露给生物酶，成为有效的将木质纤维素变为可发酵糖，为后续高效生产转化乙醇的关键。

现有的木质纤维素的预处理方式，主要针对木质素结构的破坏与降解、半纤维素去除、纤维素结晶结构的破坏等几个方面。例如：采用碱处理法（包括氨爆，AFEX），可以有效的破坏木质素的结构，同时使纤维素溶胀，并在一定程度上破坏其结晶结构；采用有机溶剂法，可以有效的溶解木质素，实现木质素的脱除；采用蒸汽（汽爆）或者水热预处理（包括稀酸催化条件下），可以有效的溶解特定原料中的半纤维素，疏松原料空间结构；近年来，以离子溶液为代表的溶剂法的开发，为木质纤维原料的预处理提供了另外一种新的处理方式，木质素和（半）纤维素之间的非共价的链接作用形成的复杂空间结构被有效的破坏，从而实现预处理后原料酶水解效率的提高。

现有的预处理技术，在功能实现上，已经完全可以实现破坏木质纤维素致密结构，增加生物酶的可及度，提高水解效率的目的。然而，作为一种高效的木质纤维素预处理技术，在保证技术的可实现性的同时，必须综合的考虑以下几个方面：1）对不同原料的高度适应性；2）预处理后的木质纤维素具有很好的水解性能；3）预处理过程无显著的糖损失；4）预处理过程毒性副产物低；5）预处理后，适合高基质浓度水解；6）适合后续发酵；7）预处理工艺的能耗和成本较低；而现有的木质纤维素的预处理方法，在不同程度上不能同时满足高效预处理的标准。碱处理法（包括氨爆，AFEX）可以有效的降低农作物秸秆中木质素的含量，而对结构密实度和木质素含量较高的软木类原料的预处理效果较差；蒸汽（气爆）预处理方式较适合以木聚糖为主链的半纤维素的溶解去除，而对以甘露聚糖为主链的半纤维素原料的预处理效果不佳。在高温参与下的预处理方式，包括蒸汽预法、水热法、有机溶剂法等均会在预处理过程产生有毒抑制物，严重影响了后续的发酵；此外，现有大部分的预处理方式，对木质纤维素空间结构破坏有限、预处理后的原料仍具有较高的聚合度或结晶度，导致后续酶水解的基质浓度较低，无法获得较高的糖浓度的水解液。近期，采用离子溶液预处理的方式可以有效的原料中纤维素的聚合度和结晶度，改善酶水解过程中机制的流变特性，但离子溶液对后续酶水解和发酵的潜在抑制和毒害尚需进一步研究，且降低离子溶液的制备成本也仍需进行进一步的考虑。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法。

本发明的技术方案如下：

一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法，其步骤如下：

（1）将木质纤维素类原料加入反应釜，添加浓磷酸-过氧化氢混合试剂，进行预处理；

（2）预处理后，向（1）中混合物加入10倍反应溶液体系质量的蒸馏水或自来水终止反应；

（3）把步骤（2）得到的混合物进行真空抽滤，获得预处理产物，并反复清洗抽滤10-15遍，用于酶水解。

所述的木质素类原料为农作物秸秆、林木、竹木、野生草本、木本木质纤维素或者是它们的混合物，其原料粒径范围为0.2mm-5cm。

所述的浓磷酸-过氧化氢混合试剂其各组分质量分数分别为80%-1.77%、70%-5.29%或60%-8.82%。

所述的方法，其木质纤维素类原料和浓磷酸-过氧化氢混合试剂的固液比为1:10-1:20。

所述的方法，其预处理温度为20℃-50℃，预处理时间为1h-5h。

本发明使用浓磷酸联合过氧化氢，在温和条件下预处理木质纤维素，使木质素交联结构被破坏，大部分木质素和半纤维素被有效去除，同时纤维素的结晶区被明显破坏，结晶度显著降低。本发明的多原料通适性强，可满足不同原料预处理和多种原料混合预处理。预处理后的木质纤维素原料在酶水解过程中，不仅酶水解效率被显著提高，水解率为75%-100%，且水解时间也显著缩短，在较大程度上降低了预处理能耗以及成本，更为后续的乙醇发酵提供了便利。整个处理过程无有毒有害物质产生，环境友好。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实例1不同温度条件用于木质纤维素原料预处理

（一）材料

1、小麦秸秆，经粉碎机粉碎过40目筛。

2、纤维素酶（Celluclast1.5L）和β-葡萄糖苷酶（Novozyme188）购自诺维信。

（二）方法

1、将50g小麦秸秆粉末放入反应釜，按固液比为1:10的比例，向反应釜中加入磷酸与过氧化氢混合液500g，其中磷酸质量分数80%，过氧化氢质量分数1.77%，设定不同的预处理反应温度为20℃、30℃、40℃、50℃，反应时间为5h，进行预处理。

2、向步骤1得到的混合物中加入10倍反应溶液体系质量的蒸馏水（约5500mL）用于终止反应。

3、把步骤2得到的混合物进行真空抽滤，获得预处理产物，并反复清洗抽滤10-15遍后，用于酶水解。

4、将预处理产物放入水解瓶中，加入0.05mol/L，pH为5.0的醋酸-醋酸钠缓冲液，使得预处理产物的浓度为2%-10%。添加20FPU/g底物的纤维素酶，40IU/g底物的β-葡萄糖苷酶，在50℃的条件下水解72h，含有较高葡萄糖浓度的水解液，用于葡萄糖浓度测定并计算与处理产物的糖转化率，评价预处理效果。

（三）实验结果

经测定，采用温度20℃、30℃、40℃、50℃作为预处理温度，经过72h的酶水解后其预处理产物糖转化率可分别达到93.83%、98.17%、100%、100%。

实例2不同预处理时间用于木质纤维素原料预处理

（一）材料

1.、小麦秸秆，经粉碎机粉碎过40目筛。

（二）方法

1、将50g小麦秸秆粉末放入反应釜，按固液比为1:10的比例，向反应釜中加入磷酸与过氧化氢混合液500g，其中磷酸质量分数80%，过氧化氢质量分数1.77%，设定不同的预处理反应时间为1h、3h、5h，反应温度为50℃，进行预处理。

4.将预处理产物放入水解瓶中，加入0.05mol/L，pH为5.0的醋酸-醋酸钠缓冲液，使得预处理产物的浓度为2%-10%。添加20FPU/g底物的纤维素酶，40IU/g底物的β-葡萄糖苷酶，在50℃的条件下水解72h，含有较高葡萄糖浓度的水解液，用于葡萄糖浓度测定并计算与处理产物的糖转化率，评价预处理效果。

（三）实验结果

经测定，采用温度1h、3h、5h作为预处理时间，经过72h的酶水解后其预处理产物糖转化率可分别达到88.75%、94.02%、100%。

实例3不同磷酸-过氧化氢配比用于木质纤维素原料预处理

（一）材料

1、小麦秸秆，经粉碎机粉碎过40目筛。

（二）方法

1、将50g小麦秸秆粉末放入反应釜，按固液比为1:10的比例，向反应釜中加入磷酸与过氧化氢混合液500g，其中磷酸质量分数控制为80%、70%、60%，对应过氧化氢的质量分数控制为1.77%、5.29%、8.82%。设定不同的预处理反应时间为5h，反应温度为50℃，进行预处理。

（三）实验结果

经测定，采用磷酸-过氧化氢质量分数比分别为80%-1.77%、70%-5.29%、60%-8.82%，经过72h的酶水解后其预处理产物糖转化率可分别达到100%、93.31%、75.24%。

实例4不同固液比的体系用于预处理

（一）材料

1、小麦秸秆，经破碎过40目筛。

2、纤维素酶（Celluclast1.5L）和β-葡萄糖苷酶（Novozyme188）购自诺维信

（二）方法

1、将50g小麦秸秆粉末放入反应釜，按固液比为1:10、1:15、1:20的比例，向反应釜中加入磷酸与过氧化氢混合液500g，其中磷酸质量分数80%，过氧化氢质量分数1.77%。设定不同的预处理反应时间为5h，反应温度为50℃，进行预处理。

（三）实验结果

经测定，采用1:10、1:15、1:20的固液比进行预处理，经过72h的酶水解后其预处理产物糖转化率均为100%。

实例5不同粒径的原料用于预处理

（一）材料

1、小麦秸秆、橡木屑，均用不同孔径的破碎筛破碎，分为大（1-5cm）、中（0.5-1cm）、小（2-4mm）。

2、纤维素酶（Celluclast1.5L）和β-葡萄糖苷酶(Novozyme188)购自诺维信。

（二）方法

1、分别将50g大、中、小粒径的小麦秸秆、橡木屑放入反应釜，再向反应釜中加入磷酸与过氧化氢混合液，其中磷酸质量分数80%，过氧化氢质量分数1.77%，并保持固液比为1:10，设定反应时间为5h，反应温度为50℃，进行预处理。

三）实验结果

经测定，采用大、中、小不同的粒径之后，经过72h的酶水解后其预处理产物糖转化率可全部达到100%。

实例6不同原料用于预处理

（一）材料

1、小麦秸秆、玉米秸秆、菊芋秸秆、橡木屑、竹子、杉木屑，不同原料均破碎过40目筛。

（二）方法

1、分别将50g的小麦秸秆、玉米秸秆、菊芋秸秆、橡木屑、竹子、杉木屑原料放入反应釜，再向反应釜中加入磷酸与过氧化氢混合液500g，保持固液比为1:10。其中磷酸质量分数80%，过氧化氢质量分数1.77%，设定反应时间为5h，反应温度为50℃，进行预处理。

（三）实验结果

经测定，采用不同的原料之后，经过72h的酶水解小麦秸秆、玉米秸秆、菊芋秸秆、橡木屑、竹子、杉木屑预处理产物糖转化率可达到86.36%、83.09%、80.37%、94.46%、100%、92.28%。

实例7对混合原料进行预处理

（一）材料

1、小麦秸秆、玉米秸秆、菊芋秸秆、橡木屑、竹子、杉木屑粉碎过40目筛，并按照任意比例进行混合，获得混合原料Ⅰ。

从野外收集的不同种类的野生生物质原料混合破碎，粒径<5cm，获得混合原料Ⅱ。

（二）方法

1、将50g混合原料Ⅰ或者混合原料Ⅱ放入反应釜，再向反应釜中加入磷酸与过氧化氢混合液500g，保持固液比为1:10。其中磷酸质量分数80%，过氧化氢质量分数1.77%，设定反应时间为5h，反应温度为50℃，进行预处理。

（三）实验结果

经测定，采用小麦秸秆、玉米秸秆、菊芋秸秆、橡木屑、竹子、杉木屑按照任意混合后，获得混料Ⅰ，经过72h的酶水解后其预处理产物糖转化率可达到91.89%；采用随机收集的野生混合生物质原料Ⅱ进行预处理，其酶水解糖转化率可达86.23%。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法，其特征是，其步骤如下：

(1)将木质纤维素类原料加入反应釜，添加浓磷酸-过氧化氢混合试剂，进行预处理；浓磷酸-过氧化氢混合试剂其各组分质量分数分别为80％-1.77％、70％-5.29％或60％-8.82％；木质纤维素类原料和浓磷酸-过氧化氢混合试剂的固液比为1:10-1:20；

(2)预处理后，向(1)中混合物加入10倍反应溶液体系质量的蒸馏水或自来水终止反应；

(3)把步骤(2)得到的混合物进行真空抽滤，获得预处理产物，并反复清洗抽滤10-15遍，用于酶水解。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，木质纤维素类原料为农作物秸秆、林木、竹木、野生草本或者是它们的混合物，其原料粒径范围为0.2mm-5cm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，预处理温度为20℃-50℃，预处理时间为1h-5h。