專利名稱：超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物質資源化利用技術領域，涉及超聲波強化堿性過氧化氫預處理，具體而言，利用超聲波的空化作用來強化堿性過氧化氫對木質素成分的皂化和強氧化作用，以大幅度降低木質素含量，縮短作用時間，提高酶解效率。
背景技術：
以木質纖維素為原料的第二代燃料乙醇一方面能緩解日益嚴峻的能源短缺和環(huán)境污染問題，另一方面還能減少木質纖維素原料的浪費，實現(xiàn)資源化利用。然而，在生產過程中如何提高木質纖維素原料的水解率和利用率仍然是制約第二代燃料乙醇技術發(fā)展的瓶頸。
木質纖維素原料主要由纖維素、半纖維素和木質素構成，其中，纖維素是由D-葡萄糖通過β -I, 4糖苷鍵聯(lián)結而成的長鏈分子，長鏈分子進一步形成一種具有高度結晶區(qū)的穩(wěn)定結構。且纖維素被半纖維素和木質素包裹鑲嵌，彼此之間相互纏繞形成復雜緊密的結構，很難使纖維素酶直接降解其中的纖維素成分，因此需通過有效的預處理方式去除其中的木質素，破壞木質纖維素的致密結構，降低結晶度，增加比表面積，這也是成功進行燃料乙醇轉化的關鍵步驟和技術如提。目前應用較多的預處理方法有物理法如機械粉碎、微波處理、超聲波處理等，化學法如酸處理、堿處理、濕式氧化處理、臭氧處理等，物理化學法如蒸汽爆裂處理、以及生物法。但是傳統(tǒng)的單一預處理方法均很難將木質纖維素原料中的木質素降低到最低程度，對去除的木質素回收利用未給予充分重視，且應用較廣泛的酸預處理均會產生糠醛、HMF等發(fā)酵抑制物。因此應基于最大限度地降低阻礙纖維素酶解的木質素成分，提高原料的酶解率，減少發(fā)酵抑制物的產生，并將木質素成分回收利用的目的，尋找合適的預處理方式?？紤]到不同預處理方式各自的優(yōu)勢，可將其進行優(yōu)勢組合，探索木質纖維素預處理的新思路，突破傳統(tǒng)預處理方式的瓶頸。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的在于提供一種新型的超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，提高木質纖維素的酶解得率和原料利用率，克服傳統(tǒng)預處理技術存在的缺陷。它是超聲波強化的堿性過氧化氫預處理，能夠聯(lián)合超聲波的空化作用和堿性過氧化氫的皂化、強氧化作用，去除抑制纖維素和半纖維素酶解的木質素成分，提高酶解原料的酶解率，有利于后續(xù)發(fā)酵過程，縮短作用時間，并實現(xiàn)其中成分的回收。技術方案本發(fā)明的超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法主要包括木質纖維素預處理、固液組分分離、組分回收、成分分析、纖維素酶解等工序，具體涉及步驟如下所述
1)將風干的木質纖維素進行物理粉碎處理再篩分；
2)將篩分后的木質纖維素于105°C烘干至恒重，除去其中水分；3)將烘干后的木質纖維素加入氫氧化鈉溶液中進行處理，并同時進行超聲波作用，間隔I 50min后加入過氧化氫繼續(xù)處理，得到預處理后的反應漿料，
4)將步驟3)中預處理后的反應漿料進行固液分離，收集液態(tài)物料，不斷洗滌固態(tài)物料至PH值呈中性并將其于105°C下烘干至恒重；
5)將步驟4)中收集的液態(tài)物料進行半纖維素和木質素的回收利用HCl溶液將液態(tài)物料的PH值調至5 6，加入3倍體積的乙醇，靜置2h后過濾，濾渣即為半纖維素；取其濾液在90°C下減壓旋轉蒸發(fā)濃縮，待乙醇完全蒸出后繼續(xù)滴加HCl溶液至pH值I. 5 2，靜置待沉淀析出，離心后所得固體即為木質素；
6)將步驟4)中烘干后的固態(tài)物料在pH值為4.5 4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液中用纖維素酶進行水解；
7)將步驟6)中水解后得到的漿料進行固液分離，液態(tài)物料主要是葡萄糖等水解糖，固 態(tài)物料則是部分難降解物質。步驟I)所述的篩分粒徑為20目 60目。步驟3)所述的NaOH溶液濃度為O. 125 O. 5mol/L，H2O2的體積分數(shù)為20 40%。步驟3)所述的木質纖維素與NaOH溶液的固液比為1:5 1:15 g/mL,木質纖維素與H2O2的固液比為1:0. I 1:1 g/mL。步驟3)所述的超聲波和NaOH溶液共同作用的總時間為10 60min，超聲波的作用功率為80 300W，溫度為25 80°C。步驟6)所述的纖維素酶加載量為5 50FPU/g干原料,干原料與朽1檬酸-朽1檬酸鈉緩沖溶液的固液比為1:10 1:100 g/mL，酶解溫度為50°C，酶解時間為12 72h。有益效果與現(xiàn)有預處理技術相比，本發(fā)明提供的新型超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法具有以下優(yōu)點
1)去除絕大部分木質素成分，減小其對木質纖維素原料酶解的阻礙作用，提高原料酶解得率；
2)預處理過程中不產生糠醛、HMF等發(fā)酵抑制物，有利于提高后續(xù)發(fā)酵過程中的乙醇產
率；
3)預處理在常溫常壓下操作，作用時間短，條件溫和易于控制，節(jié)約能耗和投資成本；
4)將去除的木質素和部分半纖維素以酸析的方式進行回收，為生物質資源的全利用提
供基礎。


圖I是利用超聲波和堿性過氧化氫實現(xiàn)木質纖維素預處理和高效酶解的工藝流程圖。圖2是采用本發(fā)明處理玉米芯在不同實例中的成分分析比較圖。
具體實施方案本發(fā)明中原料酶解后的酶解得率計算方法為
酶解得率(％)=(葡萄糖總量X0. 9X 100) /酶解底物中的纖維素及半纖維素總量。對比例I—預處理方式稱取過40目篩且烘干后玉米芯10g，加入100ml, 0. 25mol/L 的 NaOH 溶液和 3. 3ml30% (v/v) H2O2,溫度為 25°C，反應 24h。酶解過程同實施例，酶解得率為81. 05%。對比例2—預處理方式稱取過40目篩且烘干后玉米芯10g，加入100ml, O. 25mol/L 的 NaOH 溶液，溫度為 25。。，反應 12h 后加入 3. 3ml30% (v/v) H2O2 繼續(xù)反應12h。酶解過程同實施例，酶解得率為75.23%。實施例I
稱取過40目篩且烘干后玉米芯10g，加入100ml，O. 25mol/L的NaOH溶液和3. 3ml30%(v/v) H2O2置于燒杯中，并同時進行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時間為40min。反應結束后，將漿料進行真空抽濾，實現(xiàn)固液分離，并將上述產生的濾渣進行反復蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。
對預處理得到的玉米芯進行范式分析法(Van Soest)測定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結束后將反應衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活IOmin后進行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測定，酶解得率為72. 1%。實施例2
稱取過40目篩且烘干后玉米芯IOg,加入100ml, O. 25mol/L的NaOH溶液置于燒杯中，并同時進行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時間為40min,當超聲波作用IOmin后加入和3. 3ml30%( ν/ν)Η202。反應結束后，將漿料進行真空抽濾，實現(xiàn)固液分離，并將上述產生的濾渣進行反復蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。對預處理得到的玉米芯進行范式分析法(Van Soest)測定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結束后將反應衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活IOmin后進行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測定，酶解得率為89. 81%。實施例3
稱取過40目篩且烘干后玉米芯IOg,加入100ml, O. 25mol/L的NaOH溶液置于燒杯中，并同時進行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時間為40min,當超聲波作用20min后加入和3. 3ml30%( ν/ν)Η202。反應結束后，將漿料進行真空抽濾，實現(xiàn)固液分離，并將上述產生的濾渣進行反復蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。對預處理得到的玉米芯進行范式分析法(Van Soest)測定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結束后將反應衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活IOmin后進行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測定，酶解得率為77. 72%。實施例4
稱取過40目篩且烘干后玉米芯IOg,加入100ml, 0. 25mol/L的NaOH溶液置于燒杯中，并同時進行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時間為40min ,當超聲波作用30min后加入和3. 3ml30%( ν/ν)Η202。反應結束后，將漿料進行真空抽濾，實現(xiàn)固液分離，并將上述產生的濾渣進行反復蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。 對預處理得到的玉米芯進行范式分析法(Van Soest)測定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結束后將反應衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活IOmin后進行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測定，酶解得率為78. 67%。
權利要求
1.一種超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，其特征在于該方法包括下述步驟 1)將風干的木質纖維素進行物理粉碎處理再篩分； 2)將篩分后的木質纖維素于105°C烘干至恒重，除去其中水分； 3)將烘干后的木質纖維素加入氫氧化鈉溶液中進行處理，并同時進行超聲波作用，間隔I 50min后加入過氧化氫繼續(xù)處理，得到預處理后的反應漿料， 4)將步驟3)中預處理后的反應漿料進行固液分離，收集液態(tài)物料，不斷洗滌固態(tài)物料至PH值呈中性并將其于105°C下烘干至恒重； 5)將步驟4)中收集的液態(tài)物料進行半纖維素和木質素的回收利用HCl溶液將液態(tài)物料的PH值調至5 6，加入3倍體積的こ醇，靜置2h后過濾，濾渣即為半纖維素；取其濾液在90°C下減壓旋轉蒸發(fā)濃縮，待こ醇完全蒸出后繼續(xù)滴加HCl溶液至pH值I. 5 2，靜置待沉淀析出，離心后所得固體即為木質素； 6)將步驟4)中烘干后的固態(tài)物料在pH值為4.5 4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液中用纖維素酶進行水解； 7)將步驟6)中水解后得到的漿料進行固液分離，液態(tài)物料主要是葡萄糖等水解糖，固態(tài)物料則是部分難降解物質。
2.根據(jù)權利要求I所述的超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，其特征在于步驟I)所述的篩分粒徑為20目 60目。
3.根據(jù)權利要求I所述的超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，其特征在于步驟3)所述的NaOH溶液濃度為O. 125 O. 5mol/L, H2O2的體積分數(shù)為20 40%。
4.根據(jù)權利要求I所述的超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，其特征在于步驟3)所述的木質纖維素與NaOH溶液的固液比為1:5 1:15 g/mL,木質纖維素與H2O2的固液比為1:0. I 1:1 g/mL。
5.根據(jù)權利要求I所述的超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，其特征在于步驟3)所述的超聲波和NaOH溶液共同作用的總時間為10 60min，超聲波的作用功率為80 300W，溫度為25 80°C。
6.根據(jù)權利要求I所述的超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，其特征在于步驟6)所述的纖維素酶加載量為5 50FPU/g干原料,干原料與朽1檬酸-梓檬酸鈉緩沖溶液的固液比為1:10 1:100 g/mL，酶解溫度為50°C，酶解時間為12 72h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波強化堿性過氧化氫預處理木質纖維素的方法，該方法為在堿處理木質纖維素的同時進行超聲波的強化作用，間隔一段時間后加入過氧化氫進行強氧化作用；預處理結束后，將原料進行固液分離，其中的固體組分烘干后進行纖維素酶酶解和成分分析，液體組分用于回收半纖維素和木質素成分。本發(fā)明旨在利用超聲波劇烈的空化作用強化堿性過氧化氫對木質素成分的皂化和強氧化作用，以大幅度降低阻礙木質纖維素原料酶解的木質素，將大部分纖維素和半纖維素降解為可發(fā)酵的單糖，從而最大限度地提高木質纖維素的原料利用率。并通過酸析法對預處理液中的半纖維素和木質素進行回收，實現(xiàn)零資源浪費的綠色工藝。
文檔編號C12P7/10GK102839198SQ20121033902
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權日2012年9月13日
發(fā)明者仲兆平, 嚴青, 張茜蕓, 鄧學群, 艾特玲 申請人:東南大學