CN104830928B - 一种微波辅助碱性亚硫酸钠的木质纤维素预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波辅助碱性亚硫酸钠的木质纤维素预处理方法，属于生物质资源化利用和农业废弃物综合利用技术领域。本发明以木质纤维素为原料，经粉碎过筛后利用微波辅助碱性亚硫酸钠进行预处理，降低碱的用量并提高碱性亚硫酸钠的预处理效果，固液分离后先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗固体残渣，再用水洗涤，得到具有良好酶解效果的木质纤维素预处理产品。能更好的脱除木质素，减少木质素对纤维素降解的阻碍作用，从而有效提高木质纤维素转化为单糖的效率；并减少化学试剂用量，有利于环境保护，降低生产成本，从而产生更高的经济价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波辅助碱性亚硫酸钠的木质纤维素预处理方法，属于生物质资源化利用和农业废弃物综合利用技术领域。
背景技术
生物乙醇被认为是最有应用前景的生物能源之一，是一种环境友好型且可再生能源。目前，燃料乙醇的生产原料主要以糖质和淀粉质作物(如玉米、甘蔗和大豆)为主，即第一代燃料乙醇技术，由此造成的食品价格增长与耕地的占用将能源危机转而变成了食品危机。因此，近年来，以来源于农林业废弃物如秸秆等木质纤维素为原料的二代燃料乙醇技术引起了各国科学家的关注。
木质纤维素，其主要成分为纤维素(35-50％)、半纤维素(20-40％)和木质素(15-25％)，是地球上含量最丰富的生物聚合物。然而，由于纤维素大分子之间及分子内存在着大量氢键，由此交织而成的网状结构阻碍了酶水解的进行。此外，在结晶纤维素的表面还紧紧地包裹着半纤维素，这些半纤维素支链分子像绳索一样将纤维素基原纤丝捆绑在一起形成细胞壁的微纤丝网络；在细胞壁的最外层，还有木质素与半纤维素通过共价键相连，导致了木质纤维素对于酶和生物利用的顽抗性结构，成为妨碍工业上对其进行化学和生物转化利用的主要屏障。
为了提高木质纤维素原料转化为单糖的转化率，需要对木质纤维素进行预处理。目前，木质纤维素预处理方法大致可分为物理法、化学法、物理-化学联合法及生物法。物理法主要通过机械粉碎、微波、蒸汽***等手段破坏木质纤维素结构；化学法为采用化学试剂(如酸法、碱法、有机试剂)水解半纤维素或脱除木质素，达到破坏木质纤维素结构的目的；生物法为采用可分解木质素的微生物，除去木质素以破坏其对纤维素的包裹功能。目前，常用的一些方法如酸碱处理、蒸汽***、AFEX、亚硫酸盐处理等，核心目标均在于去除细胞壁中部分木质素和半纤维素以改变纤维素的结构。但是，酸碱处理对原材料有效成分破坏比较大，物料得率较低，且对环境保护造成一定压力；而蒸汽***、AFEX可能产生毒害物质，且生产安全上不能得到充分保证；碱性亚硫酸钠处理不能有效脱除木质素，且碱的用量仍然偏大。
本发明提供的微波辅助碱性亚硫酸钠处理木质纤维素，能在减少化学试剂用量、较好的保留原料有效成分的基础上，更好的脱除木质素，从而提高单糖转化率，有利于环境保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种处理周期短、处理能力与效率高的脱除木质素的方法，该方法可明显提高木质纤维素转化为单糖的转化率，并降低化学试剂的用量。
本发明提供的一种木质纤维素脱除木质素的预处理方法，是以木质纤维素为原料，经粉碎过筛后利用微波辅助碱性亚硫酸钠进行预处理，降低碱的用量并提高碱性亚硫酸钠的预处理效果，固液分离后先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗固体残渣，再用水洗涤，得到木质纤维素预处理产品，能够更好地与纤维素酶结合达到良好的酶解效果。
所述木质纤维素为玉米秸秆、稻草秸秆、小麦秸秆和甘蔗渣等中的任何一种或其组合。
所述粉碎过筛是对对木质纤维素原料进行机械粉碎处理，粉碎后过筛并取粒径40-80目的木质纤维素原料作为反应底物。
在本发明的一种实施方式中，木质纤维素原料与碱性亚硫酸钠溶液混合的料液比为1:6-1:12(g/mL)。
在本发明的一种实施方式中，碱性亚硫酸钠溶液中Na2SO3的浓度为1-6g/100g，NaOH的浓度为0.05-0.2g/100g。
在本发明的一种实施方式中，碱性亚硫酸钠溶液中的NaOH替换为KOH。
在本发明的一种实施方式中，碱性亚硫酸钠溶液中Na2SO3的浓度为4％，NaOH的浓度为0.15％。
所述微波辅助处理作用于碱性亚硫酸钠溶液和原料颗粒的混合体系，微波功率恒定，微波功率为200-900W，微波处理采用间歇式方式，微波持续工作2-5min后，间歇1-3min，微波处理总时间为30-80min。以执行一次微波作用和间歇为一个周期，执行6-10个周期。
在本发明的一种实施方式中，木质纤维素原料与碱性亚硫酸钠溶液混合的料液比为1:6-1:8g/mL时，所述微波辅助处理作用于碱性亚硫酸钠溶液和原料颗粒的混合体系，微波功率恒定，微波功率为600-900W，微波处理采用间歇式方式，微波持续工作2-5min后，间歇1-3min，以执行一次微波作用和间歇为一个周期，执行6-10个周期。
微波处理后采用离心或过滤的方式对所述固体颗粒与处理液进行固液分离，分离过程中先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗1-3次，再用去离子水洗涤，直到滤液pH达到中性为止。
亚硫酸钠对于木质素具有较好的选择性去除作用，但由于木质素被纤维素等组分紧密的包裹，导致无法被亚硫酸钠充分接触，减低了其作用效率。通过提高碱的用量可以部分溶解纤维素组分并提高处理效果，但不可避免的导致了纤维素组分的大量损失和更加严重的环境负担。本发明利用微波辅助处理技术，利用微波的高频电场效应，对木质纤维素中链段间和链段内部的氢键和化学键的进行破坏，增加其疏松程度，提高碱性亚硫酸钠的渗透和处理效果，协同提高了木质素的脱除效率和对纤维素底物表面的破坏作用，显著改善了木质纤维素底物对于生物酶的吸附效果，从而提高了后续酶的降解效率。同时，微波处理可以确保内部与表面同时升温，提高加热速度和均匀程度，减低能源消耗。与传统的木质纤维素化学处理工艺相比，本发明的方法对于酸、碱等化学试剂的用量显著降低，并可以显著提高物料的得率；与传统的碱性亚硫酸钠处理方法相比，处理效率显著提高，且可以进一步降低碱的用量，减少成本和对环境的负担。
附图说明
图1各实施例不同预处理方法所得木质纤维素预处理产品对纤维素酶吸附效果比较图。
图2各实施例不同预处理方法所得木质纤维素预处理产品的后续酶解效率比较图。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步说明，应理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。
本发明实施例及实验中所采用的木质纤维素的原料为小麦秸秆。所用的试剂均为市场购买的试剂纯或分析纯试剂。
实施例1氢氧化钠化学处理木质纤维素
氢氧化钠化学处理木质纤维素的方法，包括如下步骤：将过40目筛的小麦秸秆原料10g加入到80mL氢氧化钠溶液里，其中NaOH的浓度为2％，然后在120℃条件处理30min。处理后冷却到室温，采用离心的方式进行固液分离，先用氢氧化钠溶液冲洗1次，再用去离子水洗涤，直到滤液pH达到中性为止。固液分离获得的滤渣放入60℃的烘箱，干燥时间为9h，称取干物质质量计算可以得到物料得率。处理所得固体作为纤维素酶吸附试验和酶降解反应底物。
实施例2传统碱性亚硫酸钠处理木质纤维素
传统碱性亚硫酸钠处理木质纤维素的方法，包括如下步骤：将过40目筛的小麦秸秆原料10g加入到80mL碱性亚硫酸钠溶液里，其中Na2SO3的浓度为2％，NaOH的浓度为0.05％，然后在100℃反应器中处理20min。处理后冷却到室温，采用离心的方式进行固液分离，先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗1次，再用去离子水洗涤，直到滤液pH达到中性为止。固液分离获得的滤渣放入60℃的烘箱，干燥时间为9h，称取干物质质量计算可以得到物料得率。处理所得固体作为纤维素酶吸附试验和酶降解反应底物。
实施例3微波辅助碱性亚硫酸钠处理木质纤维素
利用本发明技术的木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将过40目筛的小麦秸秆原料10g加入到80mL碱性亚硫酸钠溶液里，其中Na2SO3的浓度为2％，NaOH的浓度为0.05％。进行微波辅助处理，微波功率恒定为300W，单一周期中，微波工作时间为2min，间歇时间1min，工作10个周期，总时间为30min。微波处理后采用离心的方式进行固液分离，先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗1次，再用去离子水洗涤，直到滤液pH达到中性为止。固液分离获得的滤渣放入60℃的烘箱，干燥时间为9h，称取干物质质量计算可以得到物料得率。处理所得固体作为纤维素酶吸附试验和酶降解反应底物。
实施例4微波辅助碱性亚硫酸钠处理木质纤维素
木质纤维素处理方法，包括如下步骤：将过40目筛的小麦秸秆原料10g加入到60mL碱性亚硫酸钠溶液里，其中Na2SO3的浓度为4％，NaOH的浓度为0.15％。进行微波辅助处理，进行微波辅助处理，微波功率恒定为800W，单一周期中，微波工作时间为3min，间歇时间3min，工作8个周期，总时间为48min。微波处理后采用离心的方式进行固液分离，先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗2次，再用去离子水洗涤，直到滤液pH达到中性为止。固液分离获得的滤渣放入60℃的烘箱，干燥时间为9h，称取干物质质量计算可以得到物料得率。处理所得固体作为纤维素酶吸附试验和酶降解反应底物。
将实施例1-4处理后的木质纤维素产品分别记为A1、A2、A3、A4，未经处理的原料记为A0。
对原木质纤维素和实施例1-4处理后的木质纤维素产品进行组成成分和物料得率分析，具体结果见表1。从表中可以看出，虽然氢氧化钠处理脱除木质素效果很好，但是氢氧化钠处理的物料得率最低，木质纤维素中有效成分(纤维素和半纤维素)损失比较严重，不利于后续的生产，且2％的氢氧化钠处理废液对环境造成比较大的压力，而微波辅助碱性亚硫酸钠处理秸秆比单纯使用碱性亚硫酸钠处理秸秆具有更好的木质素脱除效果，且物料得率比较适中。
表1不同预处理方法小麦秸秆木质纤维素底物的主要成分分析
| 含量(％) | A0 | A1 | A2 | A3 | A4 |
| 纤维素 | 32.3 | 50.82 | 39.58 | 38.18 | 39.49 |
| 半纤维素 | 16.2 | 26.16 | 23.32 | 22.43 | 23.12 |
| 木质素 | 25.5 | 15.5 | 22.83 | 18.07 | 14.6 |
| 物料得率 | 100 | 49 | 82.1 | 81.63 | 79.9 |
对A0-A4所得木质纤维素产品进行纤维素酶吸附试验。其中具体吸附实验条件为：4℃，在100mL的反应体系中，用pH 4.5的0.05M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液调节木质纤维素葡聚糖底物浓度为1％(m/v)，纤维素酶初始加入量为6.5mg/g葡聚糖，搅拌速度为130rap/min。每间隔15min，取1ml反应液过0.22μm水系膜，连续取样90min。以没加入纤维素酶和没加木质纤维素底物的反应体系为空白对照。其中溶液中游离的蛋白质含量采用Bradford法测定，BSA为标准蛋白质。底物吸附纤维素酶蛋白质的量通过计算初始蛋白质添加量和体系中游离蛋白质量的差值间接得到。不同处理得到固体的纤维素酶吸附数据对比如图1所示。
结合表1和图1，不同处理所得的木质纤维素产品对酶的吸附结果表明，与传统只有亚硫酸钠处理木质纤维素相比，微波辅助碱性亚硫酸钠处理木质纤维素可以明显提高酶吸附效果，且固体A4对纤维素酶的吸附量大于氢氧化钠处理的固体A1，表明微波辅助碱性亚硫酸钠处理可以在减少化学试剂用量的基础上，达到很好的酶吸附效果，这有利于环境保护，减少生产成本。
对A0-A4所得木质纤维素产品进行酶降解。其中具体酶解条件为：温度50℃，转速160r/min，pH 4.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液反应体系，固液比(m:v)为1％/葡聚糖，酶解时间为12h，纤维素酶添加量为200FPU/g葡聚糖，且β-葡萄糖苷酶酶活与纤维素酶酶活比例为2:1。酶解结束后将部分反应液取出，在沸水域中灭酶活15min，之后在5000rap/min，离心5min。取上清液，生成的还原糖采用DNS方法测定。酶解得率计算方法为：酶解得率(％)＝(产生葡萄糖总量*0.9*100)/底物纤维素含量。不同酶解效果的对比如图2所示。
结合表1和图2，不同处理所得固体酶解结果表明，与只有亚硫酸钠处理木质纤维素酶解效果相比，微波辅助碱性亚硫酸钠处理木质纤维素可以明显提高酶解效率，且固体A4的酶解效率大于氢氧化钠处理的固体A1，表明微波辅助碱性亚硫酸钠处理可以在减少化学试剂用量的基础上，达到很好的酶解效果，从而减少生产成本，提高经济效益。
Claims (5)
1.一种微波辅助碱性亚硫酸钠的木质纤维素预处理方法，其特征在于，以木质纤维素为原料，经粉碎过筛后，将所得木质纤维素原料颗粒利用微波辅助碱性亚硫酸钠进行预处理，固液分离后先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗固体残渣，再用水洗涤至pH中性；
木质纤维素原料与碱性亚硫酸钠溶液混合的料液比为1:6 g/mL；
所述碱性亚硫酸钠溶液中Na2SO3的浓度为4 g/100g，NaOH的浓度为0.15 g/100g；
所述微波辅助处理作用于碱性亚硫酸钠溶液和原料颗粒的混合体系，微波功率恒定，微波功率为800W，微波处理采用间歇式方式，微波持续工作3min后，间歇3min，以执行一次微波作用和间歇为一个周期，执行8个周期。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素为玉米秸秆、稻草秸秆、小麦秸秆或甘蔗渣中的任何一种或其组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉碎过筛是对木质纤维素原料进行粉碎处理，粉碎后过40-80目筛。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用离心或过滤的方式对固体颗粒与处理液进行固液分离，分离过程中先用碱性亚硫酸钠溶液冲洗1-3次，再用去离子水洗涤，直到滤液pH达到中性为止。
5.一种生物转化木质纤维素的方法，其特征在于，所述方法是以权利要求1~4任一所述方法获得的木质纤维素预处理产品为底物，进行生物转化。
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