一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于綠色化學(xué)和清潔能源【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法。將去離子水與木質(zhì)纖維素以質(zhì)量比10～100:1混合，通入3～10MPa的二氧化碳或者氮?dú)?，溫?0～120℃；施加頻率40～60kHz、功率90～600W的超聲場(chǎng)，持續(xù)10～120min；在2-10min內(nèi)使壓力泄放至常壓，烘干。向木質(zhì)纖維素中加入pH＝4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，其與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為50:1，再加入與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為0.5～1.2:1的纖維素酶，水解得到還原糖。本發(fā)明的方法，節(jié)省時(shí)間，條件溫和，能耗低，工藝簡(jiǎn)單，成本低，綠色無污染。
【專利說明】一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于綠色化學(xué)和清潔能源【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]木質(zhì)纖維素由半纖維素、纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，主要來源于農(nóng)作物秸桿、樹木和野草等。作為一種生物質(zhì)資源，因其可再生、產(chǎn)量巨大，成為可再生能源和資源利用的焦點(diǎn)。直接燃燒是木質(zhì)纖維素利用的傳統(tǒng)形式，能源利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。將木質(zhì)纖維素通過化學(xué)或者生物法水解生成還原糖，再經(jīng)發(fā)酵制取燃料乙醇，是可替代能源的重要組成部分，也是木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源的高效利用途徑。酶水解木質(zhì)纖維素制備還原糖工藝因環(huán)境友好、條件溫和以及還原糖收率高而倍受青睞。為了提高纖維素酶對(duì)木質(zhì)纖維素水解的效率，首先需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，目的在于破壞半纖維素以及木質(zhì)素對(duì)纖維素的包裹和纏繞作用，最大限度地改善酶對(duì)纖維素的可及度。
[0003]以往對(duì)木質(zhì)纖維素預(yù)處理的方法主要有:酸堿預(yù)處理、氨爆破預(yù)處理、蒸汽爆破預(yù)處理以及超臨界二氧化碳預(yù)處理等。酸堿預(yù)處理工藝成熟，但存在腐蝕性強(qiáng)、對(duì)設(shè)備要求高、產(chǎn)物分離和廢液處理難度大等問題。超臨界二氧化碳預(yù)處理和蒸汽爆破預(yù)處理綠色環(huán)保，但需高溫高壓的苛刻條件且能耗較大。氨爆破預(yù)處理工藝復(fù)雜，氨回收成本高且存在環(huán)境污染問題。為克服上述預(yù)處理工藝的不足，本發(fā)明提出一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法。
[0004]加壓熱水是指水/ 二氧化碳或者水/氮?dú)庀到y(tǒng)總壓力為3?lOMPa、溫度為80?120°C的水，是一種綠色溶劑。加壓熱水在預(yù)處理中能對(duì)木質(zhì)纖維素起到潤(rùn)濕和溶脹作用，使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變的松散，機(jī)械強(qiáng)度減弱，CO2或隊(duì)能更好的進(jìn)入木質(zhì)纖維素內(nèi)部，泄壓產(chǎn)生優(yōu)越的爆破效果，同時(shí)加壓熱水也是超聲波的良好傳播介質(zhì)，為超聲波處理木質(zhì)纖維素提供基礎(chǔ)。
[0005]超聲波是一種能量形式，廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、物理化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。利用超聲波產(chǎn)生的振蕩和空化作用，可以破壞生物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部化學(xué)鍵，打破木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素的束縛，使纖維素酶與纖維素接觸表面積變大，從而促進(jìn)酶水解進(jìn)行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法，解決酸堿預(yù)處理腐蝕設(shè)備、對(duì)設(shè)備要求高、產(chǎn)物分離困難和廢液處理問題，超臨界二氧化碳預(yù)處理和蒸汽爆破預(yù)處理高溫高壓等苛刻條件和高能耗，氨纖維爆破預(yù)處理工藝復(fù)雜、回收成本高、污染環(huán)境問題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法，將一定質(zhì)量比去離子水與粉碎后烘干的木質(zhì)纖維素放入反應(yīng)器中，在加壓熱水中進(jìn)行超聲波預(yù)處理，再使用纖維素酶對(duì)預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素進(jìn)行水解，制備還原糖；具體步驟以下:
[0009](I)將去離子水與粉碎烘干的木質(zhì)纖維素以質(zhì)量比為10?100:1混合加入到反應(yīng)器中，反應(yīng)器內(nèi)通入3?1MPa壓力的二氧化碳或者氮?dú)獠⒓訜?，保持反?yīng)器內(nèi)溫度為80?120°C ;然后反應(yīng)器內(nèi)施加頻率40?60kHz、功率90?600W的超聲場(chǎng)，持續(xù)10?120min ;待反應(yīng)結(jié)束后，在2_10min內(nèi)使反應(yīng)器壓力泄放至常壓，取出物料并將其烘干至恒重。
[0010](2)將步驟(I)中所得烘干后的木質(zhì)纖維素放入中加入pH = 4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，乙酸-乙酸鈉緩沖溶液與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為50:1，再加入與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為0.5?1.2:1的纖維素酶，纖維素酶活性為4000U/g，在50°C、100r/min的水浴搖床中酶水解48h，得到還原糖溶液。
[0011]所述的木質(zhì)纖維素為玉米秸桿、玉米芯、稻桿、高粱秸桿、甘蔗渣、麥桿中的一種或兩種以上混合，粒徑為20?40目。
[0012]本發(fā)明的效果和益處是:加壓熱水是一種綠色溶劑，在預(yù)處理中能對(duì)木質(zhì)纖維素起到潤(rùn)濕和溶脹作用，使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變的松散，機(jī)械強(qiáng)度減弱，CO2或N2能更好的進(jìn)入木質(zhì)纖維素內(nèi)部，泄壓產(chǎn)生更好的爆破效果，同時(shí)加壓熱水也是超聲波的良好傳播介質(zhì)，使超聲振蕩和波空化作用效果更好，在加壓熱水和超聲波的共同作用下，破壞木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部化學(xué)鍵，打破木質(zhì)素和半纖維素對(duì)纖維素的束縛，纖維素酶與纖維素有更大的接觸面積，從而促進(jìn)酶水解進(jìn)行，獲得更高的還原糖產(chǎn)率。加壓熱水中進(jìn)行超聲波預(yù)處理，節(jié)省時(shí)間，無需高溫，條件溫和，對(duì)設(shè)備要求低，操作簡(jiǎn)單，綠色環(huán)保，成本低，后續(xù)處理簡(jiǎn)單。

【具體實(shí)施方式】
[0013]以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0014]實(shí)施例1
[0015]按質(zhì)量比20:1稱取20g去離子水和Ig玉米桿混合加入到反應(yīng)器中，向反應(yīng)器內(nèi)灌入CO2，保持5MPa，置于超聲槽中，在80°C、40kHz、600W條件下保持60min。反應(yīng)結(jié)束后，迅速泄壓至常壓，隨后取出玉米桿烘干至恒重。預(yù)處理后的玉米桿lg、0.7g活性4000U/g纖維素酶和50ml pH值4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液放入10ml錐形瓶中，在500C、100r/min的水浴搖床中水解48h，將產(chǎn)物過濾、離心，對(duì)液相產(chǎn)物進(jìn)行紫外分析，還原糖產(chǎn)率27.6%。
[0016]實(shí)施例2
[0017]按質(zhì)量比50:1稱取50g去離子水和Ig玉米桿混合加入到反應(yīng)器中，向反應(yīng)器內(nèi)灌入N2，保持lOMPa，置于超聲槽中，在40詘2、6001、1201:條件下保持601^11。反應(yīng)結(jié)束后，迅速泄壓至常壓，隨后取出玉米桿烘干至恒重。預(yù)處理后的玉米桿lg、0.7g活性4000U/g纖維素酶和50ml pH值4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液放入10ml錐形瓶中，在500C、100r/min的水浴搖床中水解48h，將產(chǎn)物過濾、離心，對(duì)液相產(chǎn)物進(jìn)行紫外分析，還原糖產(chǎn)率26.8%。
[0018]實(shí)施例3
[0019]按質(zhì)量比20:1稱取20g去離子水和Ig玉米芯混合加入到反應(yīng)器中，向反應(yīng)器內(nèi)灌入CO2，保持5MPa，置于超聲槽中，在59kHz、90W、80 V條件下保持120min。反應(yīng)結(jié)束后，迅速泄壓至常壓，隨后取出玉米桿烘干至恒重。預(yù)處理后的玉米桿lg、0.7g活性4000U/g纖維素酶和50ml pH值4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液放入10ml錐形瓶中，在500C、100r/min的水浴搖床中水解48h，將產(chǎn)物過濾、離心，對(duì)液相產(chǎn)物進(jìn)行紫外分析，還原糖產(chǎn)率26.3%0
[0020]實(shí)施例4
[0021]按質(zhì)量比50:1稱取50g去離子水和Ig玉米芯混合加入到反應(yīng)器中，向反應(yīng)器內(nèi)灌入CO2，保持lOMPa，置于超聲槽中，在40kHz、600W、80°C條件下保持60min。反應(yīng)結(jié)束后，迅速泄壓至常壓，隨后取出玉米桿烘干至恒重。預(yù)處理后的玉米桿lg、0.7g活性4000U/g纖維素酶和50ml pH值4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液放入10ml錐形瓶中，在500C、100r/min的水浴搖床中水解48h，將產(chǎn)物過濾、離心，對(duì)液相產(chǎn)物進(jìn)行紫外分析，還原糖產(chǎn)率28.6%。
【權(quán)利要求】
1.一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法，其特征在于: (1)將去離子水與粉碎烘干的木質(zhì)纖維素以質(zhì)量比為10?100:1混合加入到反應(yīng)器中，反應(yīng)器內(nèi)通入3?1MPa壓力的二氧化碳或者氮?dú)獠⒓訜?，保持反?yīng)器內(nèi)溫度為80?1200C ;然后反應(yīng)器內(nèi)施加頻率40?60kHz、功率90?600W的超聲場(chǎng)，持續(xù)10?120min ；待反應(yīng)結(jié)束后，在2-10min內(nèi)使反應(yīng)器壓力泄放至常壓，取出物料并將其烘干至恒重； (2)將步驟(I)中所得烘干后的木質(zhì)纖維素放入中加入pH= 4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，乙酸-乙酸鈉緩沖溶液與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為50:1，再加入與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為0.5?1.2:1的纖維素酶，纖維素酶的活性為4000U/g，在50°C、100r/min的水浴中酶水解48h，得到還原糖溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木質(zhì)纖維素為玉米秸桿、玉米芯、稻桿、高粱秸桿、甘蔗渣、麥桿中的一種或兩種以上混合，粒徑為20?40目。
【文檔編號(hào)】C12P19/14GK104263779SQ201410459768
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】李國(guó)民, 銀光照, 劉一凡, 郝劉丹, 銀建中 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)