專利名稱：一種綠液預(yù)處理的糠醛渣的酶水解糖化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及糠醛渣水解糖化領(lǐng)域，具體涉及一種采用綠液預(yù)處理后的糠醛渣的酶水解糖化方法。
背景技術(shù)：
近年來，作為世界經(jīng)濟(jì)支柱的石油，由于其不可再生性、開采技術(shù)的局限性、分布的不均勻性等因素造成了全世界面臨“石油危機(jī)”的擔(dān)憂，一系列以天然氣和石油為原料制備的產(chǎn)品也面臨著原料供給緊張、價(jià)格高漲的困境。同時(shí)大量石化資源的利用，給環(huán)境造成了無可估量的影響，直接威脅著人類健康和生命的安全。為解決上述一系列的問題，人們逐漸把眼光轉(zhuǎn)移到地球上的可再生資源-木質(zhì)纖維原料上。以木質(zhì)纖維類物質(zhì)為原料通過酶水解可以將纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖，經(jīng)發(fā)酵可轉(zhuǎn)化為乙醇、丁醇、乳酸、丙酮、甘油等液體燃料和化工原料，可以替代部分石油資源，不僅可以使人類擺脫對(duì)石油資源的過分依賴，而且能夠大幅減少污染和溫室氣體的排放?？啡┰强啡┕I(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，每噸糠醛產(chǎn)品排出10噸以上殘?jiān)覈磕昱欧趴啡U渣約3000萬噸。這些廢渣除了少部分被直接回用于鍋爐燃燒外，目前大多采用堆積或挖坑傾倒的方法，既浪費(fèi)了資源、污染了環(huán)境，又占用了大量土地，逐漸成為該行業(yè)發(fā)展的瓶頸。糠醛渣中含有大量的纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素含量超過45%，這部分纖維素可直接或經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行纖維素酶水解，通過發(fā)酵的方式生產(chǎn)燃料乙醇或其他化學(xué)品。以木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)乙醇替代石油用作燃料的工藝研究已經(jīng)比較成熟，然而由于經(jīng)濟(jì)效益問題，未能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。原因主要有兩個(gè)方面:一是木質(zhì)纖維原料天然的頑抗性需要較多的酶用量和較高強(qiáng)度的預(yù)處理過程，增加了生產(chǎn)成本；二是木質(zhì)纖維原料中的木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無效吸附，大大降低了酶有效組分濃度。各國的研究者開發(fā)了不同的方法試圖解決上述瓶頸，對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理提高纖維素酶的可及性，是目前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理方法主要有:物理法、酸處理、堿處理、氧化、生物預(yù)處理；此外，添加表面活性劑可提高酶的轉(zhuǎn)化效率，降低酶的需要量?？啡┑纳a(chǎn)是在熱的稀酸條件下進(jìn)行的，木素在高溫、酸性條件下會(huì)發(fā)生縮合，因此糠醛渣中的木素主要是酸木素。研究報(bào)道經(jīng)酸木素吸附后，纖維素酶的活性可降低90%以上，因此盡可能去除原料中的木素是有效提高纖維素酶水解效率的方法。堿法(NaOH法)預(yù)處理技術(shù)是常用來作為生物質(zhì)原料預(yù)處理的方法，在制漿造紙工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用。但是采用堿法對(duì)糠醛渣進(jìn)行預(yù)處理，并不能有效去除糠醛渣中的酸木素，并且在高溫堿性條件下纖維素會(huì)發(fā)生較大降解。加入過氧化氫后，過氧化氫水解產(chǎn)生的H00—能有效的降解糠醛渣中的木素，使木素溶出，從而可提高纖維素酶的水解效率，另外堿性過氧化氫預(yù)處理的溫度低于100°C，可減少纖維素的降解，因此是一種潛在的工業(yè)生產(chǎn)方法。
預(yù)處理結(jié)束后，富含纖維素的固體組分經(jīng)水洗，可直接用來進(jìn)行酶水解生產(chǎn)葡萄糖。洗滌后的液體中含有大量的有機(jī)物(主要是低分子量的木素降解物)，以及預(yù)處理過程剩余的化學(xué)藥品和低分子降解物與反應(yīng)物生成的物質(zhì)。由于洗滌液呈黑色，在制漿造紙工業(yè)上將這部分液體稱為“黑液”，直接排放放到水體中會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前對(duì)黑液的利用主要是將其燃燒回收熱量，具體流程為:稀黑液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮至90%以上的水分被去除，再將濃縮后的黑液噴入堿回收鍋爐膛中燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量可用于生產(chǎn)或發(fā)電。燃燒剩余的熔融物的主要組成是無機(jī)鹽，加水溶解后液體呈綠色(含有少量Fe2+)，稱為“綠液”。采用氫氧化鈉法制漿產(chǎn)生的綠液主要成分為NaOH和Na2CO3,若用堿性過氧化氫預(yù)處理法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)生的綠液中也主要含有上述兩種成分。

發(fā)明內(nèi)容
為克服糠醛渣酶水解糖化時(shí)效率較低的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種糠醛渣的酶水解糖化方法。本發(fā)明提供的糠醛渣的酶水解糖化方法為:先將糠醛渣進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的糠醛渣進(jìn)行酶水解糖化，其中，所述預(yù)處理過程包括:首先采用絡(luò)合劑對(duì)綠液進(jìn)行螯合處理，然后將螯合處理后的綠液和氧化劑一起加入到糠醛渣中對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。其中，所述螯合處理步驟中，絡(luò)合劑的使用量按重量為綠液重量的0.1 5%，優(yōu)選0.5 2%。其中，所述螯合處理的時(shí)間為0.1 3小時(shí)。其中，所述預(yù)處理步驟中，螯合處理后的綠液:氧化劑:糠醛渣固形物為I 10: 0.1 1.0:1 (ml: g: g)。

其中，所述預(yù)處理的時(shí)間為2 8小時(shí)，溫度為60 120°C。其中，所述糠醛渣在進(jìn)行預(yù)處理之前水洗至pH值為6 7。其中，所述酶水解糖化中，纖維素酶的用量為15 25FPU/g底物。優(yōu)選地，所述酶水解糖化中，水解時(shí)間為50 100h，水解溫度為40 60°C。本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):( I)對(duì)糠醛渣采用綠液-氧化劑耦合的預(yù)處理，可提高纖維素酶的水解效率，且在預(yù)處理過程纖維素的損失較低，化學(xué)品消耗量也較低，與采用強(qiáng)堿-氧化劑耦合的預(yù)處理過程相比,可節(jié)約30%以上的成本。(2)加入絡(luò)合劑對(duì)綠液進(jìn)行螯合處理，絡(luò)合劑可以減少綠液和糠醛渣中金屬離子對(duì)氧化劑的消耗，還可降低金屬離子在酶解過程中對(duì)纖維素酶活性的影響，從而提高纖維素酶的水解效率。(3)預(yù)處理過程使用制漿造紙工廠等產(chǎn)生的綠液，對(duì)能源消耗高、污染嚴(yán)重的制漿造紙企業(yè)發(fā)展新型生物煉制工業(yè)體系提供了依據(jù)，減輕了綠液排放的環(huán)境壓力。(4)預(yù)處理工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)，和現(xiàn)有工業(yè)具有良好的兼容性。(5)糠醛渣酶水解回收的綠液可循環(huán)參與預(yù)處理，從而實(shí)現(xiàn)部分物料的重復(fù)利用，降低了生產(chǎn)成本，也進(jìn)一步減少了廢液排放帶來的環(huán)境污染。


圖1是本發(fā)明所述方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明實(shí)施方式提供的綠液預(yù)處理的糠醛渣的酶水解糖化方法，包括以下步驟:先將糠醛渣進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的糠醛渣進(jìn)行酶水解糖化。其中的預(yù)處理過程包括:首先采用絡(luò)合劑對(duì)綠液進(jìn)行螯合處理，然后將螯合處理后的綠液和氧化劑一起加入到糠醛渣中對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。上述預(yù)處理過程中，利用綠液中的強(qiáng)堿與氧化劑共同作用對(duì)糠醛渣進(jìn)行預(yù)處理，綠液成本低廉，可明顯降低糠醛渣水解糖化的成本，而且還減輕了綠液排放帶來的環(huán)境壓力。其中所使用的綠液來源廣泛，如常見的造紙領(lǐng)域，本發(fā)明工藝可直接與制漿造紙生產(chǎn)線耦合形成規(guī)?；a(chǎn)。除來自常見的工業(yè)領(lǐng)域外，綠液還可以來自糠醛渣水解糖化后的黑液，將其燃燒后即得，可實(shí)現(xiàn)物料的循環(huán)利用，以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。螯合處理步驟中，絡(luò)合劑的使用量可根據(jù)綠液和糠醛渣中的金屬離子含量情況來確定，一般來說，按重量為綠液重量的0.1 5%，優(yōu)選0.5 2%。綠液中除含有可利用的強(qiáng)堿外，還含有大量金屬離子，尤其是二價(jià)或三價(jià)的金屬離子，會(huì)消耗大量的氧化劑，而且對(duì)纖維素酶的酶解也會(huì)產(chǎn)生不利影響，使糖的轉(zhuǎn)化率較低，此外，糠醛渣中也含有影響酶解的金屬離子，進(jìn)一步制約了轉(zhuǎn)化率。螯合處理步驟中，通過添加絡(luò)合劑使其與綠液中的金屬離子進(jìn)行螯合，從而減少金屬離子對(duì)氧化劑的消耗，也可以減少后續(xù)水解糖化步驟中金屬離子對(duì)纖維素酶的影響，通過螯合處理步驟，可以降低酶水解糖化的成本，提高酶水解糖化的轉(zhuǎn)化率。其中，絡(luò)合劑可以使用任何一種能與綠液、糠醛渣中的金屬離子進(jìn)行螯合的絡(luò)合齊U，優(yōu)選的絡(luò)合劑為EDTA。螯合處理步驟中，處理的時(shí)間為0.1 3小時(shí)，優(yōu)選0.5 2小時(shí)。上述預(yù)處理步驟中，螯合處理后的綠液:氧化劑:糠醛渣固形物為I
10: 0.1 1.0:1 (ml: g: g);優(yōu)選 5 10: 0.1 0.5:1 (ml: g: g)。上述預(yù)處理步驟中，預(yù)處理的時(shí)間為2 8小時(shí)，溫度為60 120°C。優(yōu)選地，預(yù)處理的時(shí)間為2 4小時(shí)，溫度為70 100°C。上述預(yù)處理步驟中，氧化劑可選用常用的無機(jī)氧化劑，優(yōu)選過氧化氫。上述預(yù)處理步驟中，糠醛渣在進(jìn)行處理之前水洗至pH值為6 7。上述酶水解糖化步驟中，纖維素酶的用量為15 25FPU/g纖維素。上述酶水解糖化步驟中，水解時(shí)間為50 100h，水解溫度為40 60°C。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施方式提供的酶水解糖化方法具體過程如下:取糠醛渣進(jìn)行洗滌、過濾，得pH值接近中性的濾渣，再加水調(diào)節(jié)至一定濃度；向綠液中加入EDTA等金屬絡(luò)合劑進(jìn)行螯合處理，將螯合處理后的綠液以及過氧化氫等氧化劑一起加入到前述處理后的糠醛渣中進(jìn)行一定時(shí)間的 預(yù)處理；將預(yù)處理后的糠醛渣洗至中性，過濾，收集濾液和濾渣，將濾渣調(diào)節(jié)至一定濃度，加入纖維素酶進(jìn)行水解糖化；濾液即為黑液，濃縮后可進(jìn)行燃燒產(chǎn)生熱能，燃燒后的熔融物加水溶解即得綠液，可繼續(xù)投入糠醛渣的預(yù)處理中以實(shí)現(xiàn)物料的循環(huán)利用。本發(fā)明實(shí)施方式使用的糠醛渣為常見工業(yè)糠醛渣，含水量約為55-60%，pH值約為2-3。本發(fā)明實(shí)施方式使用的綠液取自造紙廠，按質(zhì)量固形物含量約為10%、碳酸鈉含量約為7.5%、氫氧化鈉含量為2.3%。本發(fā)明實(shí)施方式使用的氧化劑優(yōu)選為市售雙氧水，其中的過氧化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。本發(fā)明實(shí)施方式使用的纖維素酶為可用于糠醛渣水解糖化的任意型號(hào)的市售纖維素酶。本發(fā)明實(shí)施方式中未進(jìn)一步說明的試劑、操作等均為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)。實(shí)施例1取糠醛渣加水調(diào)節(jié)至固形物含量約為10wt%，浸泡24h，間歇進(jìn)行攪拌，過濾，濾渣再用自來水沖洗3-5次直至pH為6-7，濾渣烘干備用。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% (相對(duì)于濾液)的EDTA于綠液之中，攪拌2.5h至混合均勻得螯合處理后的綠液。將螯合處理后的綠液和雙氧水(30%)以及上述糠醛渣濾渣一起加入到耐壓瓶中。綠液的加入量為6ml/ (g糠醛渣濾渣)、雙氧水的加入量為0.6g/ (g糠醛渣濾渣)，加水調(diào)整固形物含量約為3.3wt%。將耐壓瓶在150rpm的水浴搖床中加熱到80°C，并在相同的條件下保溫3h，3h之后預(yù)處理進(jìn)行完畢。預(yù)處理后的糠醛渣用水洗至pH為6-7，過濾，收集濾液為黑液。向?yàn)V渣中加水調(diào)整處理后的糠醛渣固形物質(zhì)量百分比濃度約為2.5%，加入18FPU/ (g纖維素)的纖維素酶進(jìn)行水解糖化，水解溫度為48°C，pH值為4.8，水解96h后糖化率為87.9%。木素含量按質(zhì)量(相對(duì)于糠醛渣原料固體)由45.3%降低至17.8%，纖維素含量按質(zhì)量(相對(duì)于糠醛渣原料固體)由45.9%降低至40.7%ο實(shí)施例2取糠醛渣加水調(diào)節(jié)至固形物含量約為10wt%，浸泡24h，間歇進(jìn)行攪拌，過濾，濾渣再用自來水沖洗3-5次直至pH為6-7，濾渣烘干備用。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% (相對(duì)于濾液)的EDTA于綠液中，攪拌1.5h至混合均勻得螯合處理后的綠液。將螯合處理后的綠液和雙氧水(30%)以及上述糠醛渣濾渣一起加入到耐壓瓶中。綠液的加入量為7ml/ (g糠醛渣濾渣)、雙氧水的加入量為0.5g/ (g糠醛渣濾渣)，加水調(diào)整固形物含量約為3.5wt%。將耐壓瓶在150rpm的水浴搖床中加熱到75°C，并在相同的條件下保溫3.5h，3.5h之后預(yù)處理進(jìn)行完畢。預(yù)處理后的糠醛渣用水洗至pH為6-7，過濾，收集濾液為黑液。向?yàn)V渣中加水調(diào)整預(yù)處理后的糠醛渣濃度約為3.0% (w/v)，加入15FPU/ (g纖維素)的纖維素酶進(jìn)行水解糖化，水解溫度為50°C，pH值為4.8，水解96h后糖化率為90.4%。木素含量按質(zhì)量(相對(duì)于糠醛渣原料固體)由44.7%降低至16.9%，纖維素含量按質(zhì)量(相對(duì)于糠醛渣原料固體)由46.2% 降低至 40.1%。實(shí)施例3取糠醛渣加水調(diào)節(jié)至固形物含量約為10wt%，浸泡24h，間歇進(jìn)行攪拌，過濾，濾渣再用自來水沖洗3-5次直至pH為6-7，濾渣烘干備用。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為1.5% (相對(duì)于濾液)的EDTA于綠液中，攪拌1.0h至混合均勻得螯合處理后的綠液。
將螯合處理后的綠液和雙氧水(30%)以及上述糠醛渣濾渣一起加入到耐壓瓶中。綠液的加入量為5.5ml/ (g糠醛渣濾渣)、雙氧水的加入量為0.8g/ (g糠醛渣濾渣)，加水調(diào)整固形物含量約為2.5wt%。將耐壓瓶在220rpm的水浴搖床中加熱到100°C，并在相同的條件下保持2.5h，2.5h之后預(yù)處理進(jìn)行完畢。預(yù)處理后的糠醛渣用水洗至pH為6-7，過濾，收集濾液為黑液。向?yàn)V渣中加水調(diào)整預(yù)處理后的糠醛渣濃度為2.2% (w/v)，加入20FPU/ (g纖維素)的纖維素酶進(jìn)行水解糖化，水解溫度為45°C，pH值為5.0，水解96h后糖化率為90.1%。木素含量按質(zhì)量(相對(duì)于糠醛渣原料固體)由47.1%降低至15.6%，纖維素含量按質(zhì)量(相對(duì)于糠醛渣原料固體)由46.7%降低至39.2%。對(duì)比例I不進(jìn)行預(yù)處理，直接將糠醛渣進(jìn)行水解糖化，其余步驟同實(shí)施例1，水解后的糖化率為71.3%ο對(duì)比例2進(jìn)行預(yù)處理，但綠液不進(jìn)行螯合處理，其余步驟同實(shí)施例1，水解后的糖化率為78.3%。木素含量(相對(duì)于糠醛渣原料)由45.3%降低至27.6%，纖維素含量(相對(duì)于糠醛渣原料)由45.9%降低至45.6%。對(duì)比例3進(jìn)行預(yù)處理，但綠液不進(jìn)行螯合處理，其余步驟同實(shí)施例2，水解后的糖化率為
82.7%。木素含量(相對(duì)于糠醛渣原料)由45.3%降低至24.3%，纖維素含量(相對(duì)于糠醛渣原料)由45.9%降低至43.4%。對(duì)比例4進(jìn)行預(yù)處理，但綠液不進(jìn)行螯合處理，其余步驟同實(shí)施例3，水解后的糖化率為
83.6%。木素含量(相對(duì)于糠醛渣原料)由45.3%降低至21.4%，纖維素含量(相對(duì)于糠醛渣原料)由45.9%降低至42.1%。雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn) ，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種綠液預(yù)處理的糠醛渣的酶水解糖化方法，先將糠醛渣進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的糠醛渣進(jìn)行酶水解糖化，其特征在于，所述預(yù)處理過程包括:首先采用絡(luò)合劑對(duì)綠液進(jìn)行螯合處理，然后將螯合處理后的綠液和氧化劑一起加入到糠醛渣中對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述螯合處理步驟中，絡(luò)合劑的使用量按重量為所述綠液重量的0.1 5% ;優(yōu)選0.5 2%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述絡(luò)合劑為EDTA。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述螯合處理的時(shí)間為0.1 3小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理步驟中，螯合處理后的綠液:氧化劑:糠醛渣固形物為I 10: 0.1 1.0:1 (ml: g: g)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理的時(shí)間為2 8小時(shí)，溫度為60 120。。。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述氧化劑為過氧化氫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述糠醛渣在進(jìn)行處理之前水洗至PH值為6 7。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述酶水解糖化步驟中，纖維素酶的用量為15 25FPU/g纖維素。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述酶水解糖化步驟中，水解時(shí)間為50 100h，水解溫度為40 60°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種綠液預(yù)處理的糠醛渣的酶水解糖化方法，先將糠醛渣進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的糠醛渣進(jìn)行酶水解糖化，其中，預(yù)處理過程包括首先采用絡(luò)合劑對(duì)綠液進(jìn)行螯合處理，然后將螯合處理后的綠液和氧化劑一起加入到糠醛渣中對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。本發(fā)明的方法水解效率高、成本低，工藝簡單，環(huán)境友好，適宜工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號(hào)C12P19/14GK103194505SQ20131010091
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者蔣建新, 于海龍, 趙鵬翔, 邢楊, 劉志平, 卜令習(xí), 朱莉偉 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)