一種酶解糖化蔗渣的預(yù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種酶解糖化蔗渣的預(yù)處理方法，屬于生物質(zhì)能源工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]木質(zhì)纖維素是世界第四大資源，具備環(huán)境友好、可再生，并且儲存量相當(dāng)豐富等特點，是唯一可以轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生資源。隨著化石資源帶來的能源危機和環(huán)境污染問題的日益激化，利用木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為多種形態(tài)能源(生物乙醇、生物柴油、沼氣、氫氣和燃料電池)等產(chǎn)物受到人們的廣泛關(guān)注。
[0003]蔗渣是甘蔗經(jīng)機械壓榨、浸提后所得的部分，是甘蔗制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)物，是一種重要的木質(zhì)纖維素原料。中國是僅次于巴西和印度的第三大甘蔗種植國，南方地區(qū)甘蔗渣年產(chǎn)量達700萬t。長期以來大批量的蔗渣沒有得到充分的利用，而是作為燃料燒掉或廢棄，不但浪費資源，而且污染環(huán)境。因此開發(fā)利用蔗渣資源，不但可以提高糖廠的經(jīng)濟效益，還可為其他行業(yè)提供大量的資源，具有十分重大的現(xiàn)實意義。通過預(yù)處理和酶解可將蔗渣轉(zhuǎn)化為單糖或低聚糖，進一步采用生物或化學(xué)手段可轉(zhuǎn)化為乙醇等能源或其他重要化工產(chǎn)品，因此讓人們對蔗渣寄予了更多的希望。
[0004]蔗渣的主要成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3大組分，能被微生物作為碳源利用的主要是纖維素水解而成的葡萄糖。蔗渣中的木質(zhì)素具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐并包裹著纖維素和半纖維素。半纖維素交聯(lián)在纖維素木質(zhì)素之間與蔗渣纖維素微纖絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成了復(fù)雜結(jié)合層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)阻礙了化學(xué)試劑和酶制劑對纖維素的作用。如何破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，去除木質(zhì)素，提高基質(zhì)的孔隙率是蔗渣利用技術(shù)的瓶頸。而蔗渣的預(yù)處理目的就是破壞結(jié)晶區(qū)、脫除木素。因此，開發(fā)利用蔗渣資源制備生物乙醇的關(guān)鍵在于蔗渣的預(yù)處理。
[0005]目前，木質(zhì)纖維素的預(yù)處理方法可分為以下幾種:物理方法——主要是機械粉碎法、蒸汽爆破、超臨界水處理和濕氧化法等；化學(xué)方法一一主要包括堿處理、稀酸處理、濃酸處理以及有機溶劑處理等；生物方法；綜合法。然而，依然存在成本高、效率低、污染嚴重等技術(shù)瓶頸有待突破，需要進一步研宄，降低預(yù)處理成本，提高預(yù)處理效率。
[0006]目前文獻報道關(guān)于蔗渣預(yù)處理多數(shù)集中在單獨NaOH溶液作用下處理，或在其它物理或化學(xué)輔助下進行，如微波、超聲波等。而關(guān)于用NaOH與含氧試劑結(jié)合協(xié)同預(yù)處理蔗渣則鮮見報道。單獨NaOH預(yù)處理需在高溫高壓條件下進行，不但設(shè)備成本要求高，而且有大部分的纖維素脫除，且產(chǎn)生的發(fā)酵抑制物含量多。本發(fā)明提供的預(yù)處理方法采用較低濃度的NaOH溶液在含氧試劑輔助下對蔗渣進行預(yù)處理，不僅降低了整個預(yù)處理過程纖維素的脫除、提高了纖維素的酶解糖化率，而且有氧參與可改善預(yù)處理過程的清潔性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種酶解糖化蔗渣的預(yù)處理方法，利用低濃度的NaOH溶液結(jié)合含氧試劑在高壓反應(yīng)釜中對干燥粉碎后的蔗渣進行預(yù)處理，從而改變原材料的天然特性，打破纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及半纖維素和木質(zhì)素對纖維素的包裹，改善蔗渣木質(zhì)纖維素難降解的化學(xué)特性，促進纖維素酶和微生物對纖維素的有效接觸，實現(xiàn)蔗渣木質(zhì)纖維素到乙醇等產(chǎn)品的高效轉(zhuǎn)化。
[0008]本發(fā)明通過以下步驟實現(xiàn)發(fā)明目的:
(1)蔗渣經(jīng)干燥、粉碎、篩分制得粒度在40~80目間的蔗渣原料；
(2)按步驟(I)得到的蔗渣原料與NaOH溶液按質(zhì)量體積比(蔗渣原料的質(zhì)量和NaOH溶液的體積的比值)為1:5~1:20的比例將蔗渣原料加入到NaOH溶液(質(zhì)量百分比濃度為1-1.2%)中，然后放入高壓反應(yīng)釜中，密閉后加入含氧試劑，在70~90°C條件下處理0.5~2h ；所述含氧試劑可以為H202、O2中的一種，H2O2在混合溶液中的濃度為0.3-0.9%，O2壓力為0.1-0.7MPa。
[0009](3)將步驟(2)所得的蔗渣過濾，濾渣用蒸餾水洗滌至濾液呈中性，然后干燥至恒重得到預(yù)處理后蔗渣，備用于后續(xù)酶解糖化。
[0010](4)利用硫酸水解法測定預(yù)處理前后蔗渣的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量；
(5)預(yù)處理后的蔗渣用于常規(guī)的酶解糖化，即稱取預(yù)處理后的蔗渣樣品lg，加入pH為
4.8的0.1M磷酸鹽緩沖液50mL，然后加入0.0227g的纖維素酶(百麥纖維素酶，5FPU/g蔗渣)和0.2381g的β -葡萄糖苷酶(銳陽生物，15U/g蔗渣)，在溫度50°C、轉(zhuǎn)速200rpm條件下反應(yīng)48h，反應(yīng)后測定葡萄糖和木糖含量。
[0011]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點和技術(shù)效果:
蔗渣預(yù)處理過程在溫和條件下進行，只需簡單的加熱設(shè)備即可滿足；采用氧試劑輔助NaOH進行預(yù)處理，減少了化學(xué)試劑用量，使整個預(yù)處理過程更加清潔環(huán)保；半纖維素和木質(zhì)素脫除率高，提高了纖維素的酶解糖化率；結(jié)果顯示:阻礙纖維素酶解的主要組分木質(zhì)素的最大脫除率達82%，半纖維素最大脫除率達45%，纖維素酶解糖化率超過99%，相比未處理蔗渣原材料的酶解糖化率提高了 97%，相比現(xiàn)存預(yù)處理方法本發(fā)明方法具有酶解效率高、成本低和清潔的優(yōu)勢。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明保護范圍不局限于所述內(nèi)容。
[0013]實施例1
本實施例所述酶解糖化蔗渣的預(yù)處理方法，具體包括如下步驟:
(I)將蔗渣粉碎、篩分制得粒度40目的原料后在105°C下干燥24h。
[0014](2)稱取5g蔗渣與50mL NaOH溶液混合，加入到高壓反應(yīng)釜中攪拌均勻，嚴格控制氧壓通氧至0.1MPa，在90°C下預(yù)處理0.5h。其中:NaOH溶液的質(zhì)量百分比濃度為1%，蔗渣和NaOH溶液的質(zhì)量體積比為1:10 (w/v)o
[0015](3)將預(yù)處理后的蔗渣過濾，濾渣用蒸餾水洗滌至濾液為中性，105°C下干燥至恒重，即得到預(yù)處理后蔗渣，備用。
[0016]將干燥、粉碎、篩分后的未處理的蔗渣和預(yù)處理后的蔗渣樣品置于105°C干燥至恒重，用硫酸水解法進行纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的測定，預(yù)處理的目的在于破壞原材料的結(jié)構(gòu)，打破半纖維素和木質(zhì)素對纖維素的包裹，提高原料中纖維素可及度。
[0017]經(jīng)檢測，未處理過的蔗渣原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的相對含量分別為41%，33%和19% ;經(jīng)預(yù)處理后的蔗渣的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相對含量分別為52%，30%和6%，相應(yīng)的各組分的脫除率分別為10.3%, 44.0%和79.2%，半纖維素和木質(zhì)素的脫除明顯O
[0018](4)預(yù)處理后的蔗渣用于酶解糖化，即稱取預(yù)處理后的蔗渣樣品lg，加入pH為4.8的0.1M磷酸鹽緩沖液50mL，然后加入0.0227g的纖維素酶(百麥纖維素酶，5FPU/g蔗渣)和0.2381g的β -葡萄糖苷酶(銳陽生物，15U/g蔗渣)，在溫度50°C、轉(zhuǎn)速200rpm條件下反應(yīng)48h，反應(yīng)后測定葡萄糖和木糖含量。計算得纖維素酶解糖化率為99.8%，相比未處理蔗渣原料的酶解糖化率提高了 97% ;半纖維素酶解糖化率為96.0%，相比未處理蔗渣原料的酶解糖化率提高了 91%。
[0019]實施例2
本實施例所述酶解糖化蔗渣的預(yù)處理方法，具體包括如下步驟:
(I)將蔗渣粉碎、篩分制得粒度在60目間的原料后在105°C下干燥24h。
[0020](2)稱取1g蔗渣與50mL NaOH溶液混合，加入到高壓反應(yīng)釜中攪拌均勻，加入H2O2，其在混合液中的濃度為0.3%，在70°C下預(yù)處理Ih ;其中:NaOH溶液的質(zhì)量百分比濃度為1.2%,蔗渣和NaOH溶液的質(zhì)量體積比為1:5 (w/v)。
[0021](3)將預(yù)處理后的蔗渣過濾，濾渣用蒸餾水洗滌至濾液為中性，105°C下干燥至恒重，即得到預(yù)處理后蔗渣，備用。
[0022]將干燥、粉碎、篩分后的未處理的蔗渣和預(yù)處理后的蔗渣樣品置于105°C干燥至恒重，用硫酸水解法進行纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量的測定，預(yù)處理的目的在于破壞原材料的結(jié)構(gòu)，打破半纖維素和木質(zhì)素對纖維素的包裹，提高原料中纖維素可及度。
[0023