專利名稱：一種提高木質(zhì)纖維素酶解糖化效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高木質(zhì)纖維素酶解糖化效率的預(yù)處理方法。
背景技術(shù)：
對能源的需求，化石資源的不確定性，和全球氣候變化使尋找石油資源替代品的任務(wù)變得緊迫。用秸桿等農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)纖維素乙醇以取代化石能源的使用，一方面可以減少二氧化碳的排放，另一方面可以減少石油等化石能源的消耗。如何提高從農(nóng)業(yè)廢棄物到乙醇的轉(zhuǎn)化效率并且降低成本，是制約纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。纖維素乙醇上游工藝包括原料預(yù)處理、酶解糖化和發(fā)酵等環(huán)節(jié)。預(yù)處理過程在纖維素乙醇生產(chǎn)的上游過程中占大部分成本，并且對乙醇產(chǎn)率有至關(guān)重要的作用。預(yù)處理使木質(zhì)纖維素在常溫或高溫下與催化劑反應(yīng)，使纖維素、半纖維素與木質(zhì)素等木質(zhì)纖維素原料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能夠得到分解，使纖維素酶更容易與纖維素接觸。預(yù)處理的方法有很多種，其中有一種為稀酸預(yù)處理。稀酸預(yù)處理往往需要在較高的溫度 (160-200°C )下，才能有效地破壞木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，溶解半纖維素，才能得到較高的酶解轉(zhuǎn)化率，這就要求高成本的設(shè)備和較高的能量進(jìn)行反應(yīng)，并且產(chǎn)生的發(fā)酵抑制物明顯增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高木質(zhì)纖維素酶解糖化效率的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案具體步驟如下(I)將木質(zhì)纖維素材料剪切或者粉碎，使粒徑小于1cm，加入乙醇、硫酸和水混合， 使混合物中木質(zhì)纖維素材料的質(zhì)量濃度為10% _20%，乙醇質(zhì)量濃度為50% -80%，硫酸質(zhì)量濃度為1% _2%，在耐高溫高壓的密閉反應(yīng)器內(nèi)加熱至120-160°C，進(jìn)行預(yù)處理，反應(yīng)時間為10-60min，得到混合物；(2)將得到的固液混合物用堿中和，用濾布過濾，或5000rpm離心5min，將固液分離，將液體蒸餾，蒸出的組分為可循環(huán)使用的乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；(3)將固體干燥后，加入纖維素酶和水，其中固體與水的質(zhì)量比為I : 6-29. 5，固體與纖維素酶的比例為Ig 4. 5FPU-36FPU，用IM的檸檬酸鈉緩沖液將pH調(diào)至4. 6-5. 0， 在48-52°C條件下酶解24-168h，再固液分離后得到的液體為富含葡萄糖的溶液。所述的木質(zhì)纖維素材料為玉米秸桿、小麥秸桿、水稻秸桿、高粱秸桿、玉米芯或甘蔗渣。所述步驟(I)中乙醇的質(zhì)量含量為60% -70%。所述步驟(I)中所述溫度是加熱至130-150°c。所述步驟(I)中所述預(yù)處理反應(yīng)時間為30_50min所述堿為NaOH水溶液、KOH水溶液、Ca (OH) 2水溶液或氨水。
所述酶解時間為48_72h。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(I)預(yù)處理溫度比較低，對設(shè)備的要求低，能耗低；(2)預(yù)處理得到的固體半纖維素和木質(zhì)素含量很低，酶解后葡萄糖轉(zhuǎn)化率高；(3)使用的乙醇可以回收，循環(huán)使用；(4)所得糖液中發(fā)酵抑制劑明顯比現(xiàn)有技術(shù)普通稀酸預(yù)處理的要少。


圖I為木質(zhì)纖維素材料和預(yù)處理后固體中主要成分含量的比較。圖2為木質(zhì)纖維素材料、預(yù)處理后及相同條件下普通稀酸預(yù)處理后固體中葡萄糖和木糖酶解轉(zhuǎn)化率的比較。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明實施例I(I)將含水量為8%的水稻秸桿用小型粉碎機粉碎，使粒徑小于2mm，取108. 7g物料裝入IL帶密封蓋的玻璃瓶中，加入375. 9mL蒸餾水，550mL無水乙醇和10. 8mL 98%硫酸，放入立式壓力蒸汽滅菌鍋中加熱至120°C進(jìn)行預(yù)處理反應(yīng)，反應(yīng)時間60min，得到混合物；(2)將得到的預(yù)處理后的固液混合物用IMNaOH水溶液中和至中性，然后用8層紗布過濾，液體在45°C下懸蒸得到回收的乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；(3)將固體在45°C下烘干，圖I為水稻秸桿(木質(zhì)纖維素材料，圖I中標(biāo)注為預(yù)處理前)和預(yù)處理后固體中主要成分含量的比較，預(yù)處理后葡聚糖的含量高，木聚糖和木質(zhì)素的含量均低。取25g干燥的固體加入500mL錐形瓶，并加入10. ImL纖維素酶Spezyme CP (Genecor，酶活為35FPU/mL)和155mL水，加入IM檸檬酸鈉緩沖液使pH = 4. 8，在50°C， 250rpm搖床中酶解反應(yīng)72h，固液混合物在5000rpm下離心5min，得到酶解液為富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖濃度為54g/L，葡萄糖酶解轉(zhuǎn)化率為72%。圖2為水稻秸桿(木質(zhì)纖維素材料，圖2中標(biāo)注為未預(yù)處理)、預(yù)處理后及相同條件下普通稀酸預(yù)處理(108. 7g物料，
10.8mL 98%硫酸和880mL蒸餾水，溫度120°C，反應(yīng)時間60min，酶解過程與本實施例相同) 后固體中葡萄糖和木糖酶解轉(zhuǎn)化率的比較。實施例2(I)將含水量為7%的玉米秸桿用小型粉碎機粉碎，使粒徑小于1mm，取10. 7g物料裝入150mL不銹鋼反應(yīng)管中，加入38. 3mL蒸懼水,55mL無水乙醇和0. 54mL 98%硫酸,放入油浴中進(jìn)行反應(yīng)，溫度150°C，反應(yīng)時間30min，得到混合物；(2)將得到的固液混合物用IMNaOH中和至中性，然后用8層紗布過濾，液體在 45 0C下懸蒸得到回收的乙醇和富含五碳糖的溶液；(3)將固體在45°C下干燥后，取20g干燥的固體加入500mL錐形瓶，并加入10. 7mL 纖維素酶Spezyme CP (Genecor，酶活為35FPU/mL)和160mL水，加入IM檸檬酸鈉緩沖液使pH = 4. 8，在50°C，250rpm搖床中反應(yīng)72h，固液混合物在5000rpm下離心5min，得到酶解液為富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖濃度為63g/L，葡萄糖酶解轉(zhuǎn)化率為84%。實施例3(I)將小麥秸桿剪切，使粒徑小于1cm，加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中小麥秸桿的質(zhì)量濃度為20%，乙醇質(zhì)量濃度為80%，硫酸質(zhì)量濃度為2%，在耐高溫高壓的密閉反應(yīng)器內(nèi)加熱至160°C，進(jìn)行預(yù)處理，反應(yīng)時間為30min，得到混合物；(2)將得到的固液混合物用IMNaOH水溶液中和，用濾布過濾，將固液分離，將液體蒸餾，蒸出的組分為可循環(huán)使用的乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；(3)將固體干燥后，加入纖維素酶和水，其中固體與水的質(zhì)量比為I : 29. 5，固體與纖維素酶的比例為Ig 4. 5FPU，用IM的檸檬酸鈉緩沖液將pH調(diào)至4.6，在52°C條件下酶解168h，再固液分離后得到的液體為富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖濃度為8. 2g/L，葡萄糖酶解轉(zhuǎn)化率為92%。實施例4(I)將高粱秸桿剪切，使粒徑小于0. 5cm,加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中高粱秸桿的質(zhì)量濃度為15%，乙醇質(zhì)量濃度為70%，硫酸質(zhì)量濃度為2%，在耐高溫高壓的密閉反應(yīng)器內(nèi)加熱至150°C，進(jìn)行預(yù)處理，反應(yīng)時間為lOmin，得到混合物；(2)將得到的固液混合物用IM KOH水溶液中和，用濾布過濾，將固液分離，將液體蒸餾，蒸出的組分為可循環(huán)使用的乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；(3)將固體干燥后，加入纖維素酶和水，其中固體與水的質(zhì)量比為I : 25，固體與纖維素酶的比例為Ig 9FPU，用IM的檸檬酸鈉緩沖液將pH調(diào)至5. O，在48°C條件下酶解 120h，再固液分離后得到的液體為富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖濃度為15g/L，葡萄糖酶解轉(zhuǎn)化率為88%。實施例5(I)將玉米芯粉碎，使粒徑小于1mm，加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中玉米芯的質(zhì)量濃度為18%，乙醇質(zhì)量濃度為60%，硫酸質(zhì)量濃度為I. 5%，在耐高溫高壓的密閉反應(yīng)器內(nèi)加熱至130°C，進(jìn)行預(yù)處理，反應(yīng)時間為50min，得到混合物；(2)將得到的固液混合物用IM 0&(011)2水溶液中和，5000印111離心51^11，將固液分離，將液體蒸餾，蒸出的組分為可循環(huán)使用的乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；(3)將固體干燥后，加入纖維素酶和水，其中固體與水的質(zhì)量比為I : 12，固體與纖維素酶的比例為Ig 24FPU，用IM的檸檬酸鈉緩沖液將pH調(diào)至4. 6，在49°C條件下酶解 24h，再固液分離后得到的液體為富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖濃度為34g/L，葡萄糖酶解轉(zhuǎn)化率為89%。實施例6(I)將甘蔗渣粉碎，使粒徑小于5mm，加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中甘蔗渣的質(zhì)量濃度為12%，乙醇質(zhì)量濃度為80%，硫酸質(zhì)量濃度為2%，在耐高溫高壓的密閉反應(yīng)器內(nèi)加熱至140°C，進(jìn)行預(yù)處理，反應(yīng)時間為30min，得到混合物；(2)將得到的固液混合物用25%氨水中和，5000rpm離心5min，將固液分離，將液體蒸餾，蒸出的組分為可循環(huán)使用的乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；
(3)將固體干燥后，加入纖維素酶和水，其中固體與水的質(zhì)量比為I : 6，固體與纖維素酶的比例為Ig 36FPU，用IM的檸檬酸鈉緩沖液將pH調(diào)至4.8，在50°C條件下酶解 48h，再固液分離后得到的液體為富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖濃度為77g/L，葡萄糖酶解轉(zhuǎn)化率為72%。
權(quán)利要求
1.一種提高木質(zhì)纖維素酶解糖化效率的方法，其特征包括下述步驟(1)將剪切或者粉碎后的木質(zhì)纖維素材料、乙醇、硫酸和水混合，使混合物中木質(zhì)纖維素材料的質(zhì)量含量為10% -20%,乙醇的質(zhì)量含量為50% -80%，硫酸的質(zhì)量含量為 1% -2% ;在耐高溫高壓的密閉反應(yīng)器內(nèi)加熱至120-160°C，預(yù)處理反應(yīng)10-60min，得到混合物；(2)將得到的混合物用堿中和，固液分離，將液體蒸餾，蒸出的組分為乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；將固體干燥，加入纖維素酶和水，所述固體與水的質(zhì)量比為 I 6-29. 5，固體與纖維素酶的比例為 Ig 4. 5FPU-36FPU，調(diào) pH = 4. 6-5. 0，在 48-52°C條件下酶解24-168h，再固液分離后得到的液體為富含葡萄糖的溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的木質(zhì)纖維素材料為玉米秸桿、小麥秸桿、水稻稻桿、聞粱稻桿、玉米芯或甘鹿洛。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述步驟(I)中乙醇的質(zhì)量含量為 60% -70%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述步驟⑴中所述溫度是加熱至 130-150°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述步驟(I)中所述預(yù)處理反應(yīng)時間為 30_50mino
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述堿為NaOH水溶液、KOH水溶液、Ca(OH)2 水溶液或氨水。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述酶解時間為48-72h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高木質(zhì)纖維素酶解糖化效率的方法，步驟是將剪切的木質(zhì)纖維素材料、乙醇、硫酸和水混合，在耐高溫高壓的密閉反應(yīng)器內(nèi)加熱，預(yù)處理反應(yīng)，得到混合物；將得到的混合物用堿中和，固液分離，將液體蒸餾，蒸出的組分為乙醇，留在蒸餾器中的液體為富含五碳糖的溶液；將固體干燥，加入纖維素酶和水，調(diào)pH，酶解，再固液分離后得到的液體為富含葡萄糖的溶液。本發(fā)明的優(yōu)點是預(yù)處理溫度比普通的稀酸預(yù)處理低；預(yù)處理得到的固體中半纖維素和木質(zhì)素含量低，酶解后葡萄糖轉(zhuǎn)化率高；使用的乙醇可以回收，循環(huán)使用；所得糖液中發(fā)酵抑制劑比普通稀酸預(yù)處理少。
文檔編號C12P19/14GK102605020SQ20121009431
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者元英進(jìn), 劉志華, 李炳志, 秦磊 申請人:天津大學(xué)