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CN111793662A - 密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法 - Google Patents

密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法 Download PDF

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CN111793662A CN201910277078.0A CN201910277078A CN111793662A CN 111793662 A CN111793662 A CN 111793662A CN 201910277078 A CN201910277078 A CN 201910277078A CN 111793662 A CN111793662 A CN 111793662A
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陈相雪
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Suzhou Kangmi Biotechnology Co ltd
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Nanjing University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法，属于生物炼制领域。所述方法在木质纤维素原料中，加入碱性试剂或碱性溶液，混合均匀后进行密化处理，形成压缩致密形状的密化木质纤维素，然后进行酶水解和发酵。本发明通过在木质纤维素密化过程中添加碱性试剂对秸秆结构进行破坏，在木质纤维素压缩致密过程中以及在存储运输过程中实现对木质纤维素的预处理。本发明方法得到的密化木质纤维素便于储存，不易变质或腐烂，在后续处理过程中操作方便，并且预处理得到的密化木质纤维素在高底物酶水解的条件下，酶水解糖的产率达到90％以上。

Description

密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法
技术领域
本发明属于生物炼制技术领域，涉及一种密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法。
背景技术
木质纤维素是自然界中最普遍的可再生资源之一，分布广泛，易于获取。木质纤维素的生物炼制不仅能够改善环境，满足能源需求，而且其附加价值可以为农民带来可观的收入。
松散木质纤维素的低密度特性使其运输和储存的成本偏高，制约了木质纤维素生物炼制的工业化。木质纤维素预处理是生物炼制生产生物燃料等目标产品工艺中的必要步骤，其作用是降低木质纤维素的天然抵抗性，利于酶水解的进行。传统的预处理方法存在对预处理反应仪器腐蚀严重，安全性低、耗能高和操作麻烦等问题(Theerarattananoon K,XuF,Wilson J,et al.Effects of the pelleting conditions on chemical compositionand sugar yield of corn stover,big bluestem,wheat straw,and sorghum stalkpellets[J].Bioprocess Biosyst Eng,2012,35(4):615-623)。另外，松散的木质纤维素也限制了预处理和酶水解的装载量，降低了木质纤维素工业化生产的强度，限制了酶水解和发酵目标产物的浓度，增加了目标产品的提炼成本。
将木质纤维素密化成致密结构可以有效增加木质纤维素的密度(密度可提高5-15倍)。致密的木质纤维素存储成本和运输成本可分别降低50％和90％以上。另外，致密的木质纤维素都有统一的尺寸和形状，方便工业生产的操作(Zhang P F,Zhang Q,Deines T W,et al.Ultrasonic Vibration-Assisted Pelleting of Wheat Straw:A DesignedExperimental Investigation on Pellet Quality and Sugar Yield，AsmeInternational Manufacturing Science&Engineering Conference.2012)。密化木质纤维素经过预处理后，有利于提高底物的浓度，无需分批补料过程。密化的木质纤维素因致密的结构保留大量的自由水，有利于酶对木质纤维素的水解作用。Bryan D.Bals研究发现密化玉米秸秆经过AFEX预处理后，18％底物酶水解，72小时后，葡萄糖的产率达到68％和木糖的产率为65％，比同样条件下松散秸秆酶水解后糖的产率提高了3％(Bals B D,Gunawan C,Moore J,et al.Enzymatic hydrolysis of pelletized AFEXTM-treated corn stoverat high solid loadings.Biotechnology and Bioengineering,2014,111(2):264-271)。
密化木质纤维素虽然有利于提高预处理时的原料装载量，但也会导致预处理条件要求的提高，如温度的提升和反应时间的延长。同时，预处理过程中密化的木质纤维素与含有化学试剂的溶液在预处理过程中不能充分的反应，因致密的木质纤维素结构，溶液无法渗透进去，预处理木质纤维素不均匀，会产生比较多的副产物。随着预处理温度升高，密化木质纤维素内部和外部的温度差异也会影响预处理效果。
发明内容
针对现有的木质纤维素运输成本高、预处理耗能高等问题，本发明提供一种密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法，通过在木质纤维素密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理。
本发明的技术方案如下：
密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法，具体步骤如下：
在木质纤维素原料中，加入碱性试剂或碱性溶液，混合均匀后进行密化处理，形成压缩致密形状的密化木质纤维素，然后进行酶水解和发酵。
本发明中，所述的木质纤维素选自小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、软木、硬木、水草、水生植物、藻类以及动物粪便中的一种或者多种；木质纤维素的水分含量为0％～90％。
本发明中，所述的碱性试剂可以是氢氧化钠，氢氧化钙，氢氧化钾，醋酸钠，碳酸钠，碳酸氢钠，硫酸钠，乙二胺，三乙胺，氨水或液氨；所述的碱性溶液可以是氧化钙或氧化钠。
本发明中，所述的碱性试剂占木质纤维素质量的0.01％～10.0％。
本发明中，所述的碱性试剂或碱性溶液的加入方式可以为直接倒入或加入、喷洒、通入蒸汽、喷入碱性气体等方式，使碱性试剂或碱性溶液和木质纤维素混合均匀后进行木质纤维素密化处理，或在密化过程中将碱性试剂或碱性溶液与木质纤维素一起加入密化仪器中。
作为本发明的优选方案，可以将密化木质纤维素静置一天以上，再进行酶水解。
作为本发明的优选方案，在酶水解之前对密化木质纤维素进行进一步的处理，所述的处理可以是在密化木质纤维素表面喷洒水，通入蒸汽，浸泡，暴晒，低温冷冻，高温处理，微波和超声破碎中的一种或多种；
作为本发明的优选方案，在酶水解之前对密化木质纤维素进行进一步的预处理，所述的进一步预处理可以为水热预处理，包括蒸汽爆破预处理、热水预处理、蒸汽预处理；酸性预处理；酸性预处理，包括稀强酸预处理、弱酸预处理和氧化性酸预处理及其混合酸预处理；碱性预处理，包括稀强碱预处理、弱碱预处理、氨预处理和氧化性碱预处理及其混合碱预处理。
本发明中，所述的压缩致密形状为常规生物炼制制备的压缩致密形状，可以为棒状，粒状，块状，丸粒状等致密结构形状。
本发明中，所述的密化木质纤维素的密度为100-1500kg/m3，棒状规格：直径0.5mm-30cm；粒状的规格：直径0.1cm-50cm；块状的规格：长度为0.1cm-200cm，宽度为0.1cm-200cm，高度为0.1cm-200cm；丸粒状的规格：直径0.1cm-50cm，厚度0.01cm-20cm。
本发明中，所述的酶水解采用的水解酶为常规生物炼制使用的水解酶，可以是纤维素酶和/或与半纤维素酶，果胶酶，木聚糖酶一种或者多种组合。
本发明中，所述的发酵采用的发酵微生物为常规生物炼制使用的发酵微生物，可以为酵母、细菌或霉菌。
本发明在木质纤维素密化过程中加入碱性试剂，不仅利用了密化过程中的机械作用和压缩过程中的热量对木质纤维素结构进行破坏，还能够在-40℃～100℃的运输和存储过程中，使碱性试剂均能对木质纤维素发挥化学作用，对木质纤维素进行预处理，后续可直接用于下一步的酶水解和发酵，或进行进一步的预处理(此时的碱性试剂已与木质纤维素充分混合，有利于进一步预处理在高木质纤维素装载量下进行)后再进行酶水解和发酵。
与现有预处理技术相比，本发明具有以下优点：
(1)密化过程中对木质纤维素进行物理破碎，使木质纤维素和化学试剂均匀混合和充分反应，在密化、存储和运输过程中实现预处理，大大节约了预处理成本；
(2)本发明方法得到的密化木质纤维素便于储存，不易变质或腐烂，在后续处理过程中操作方便；
(3)密化木质纤维素提高预处理和酶水解的装载量，在高底物酶水解的条件下，酶水解糖的产率达到90％以上。
附图说明
图1为实施例1有无碱性试剂密化后玉米秸秆在不同的储存时间的秸秆表面变化图。
图2为实施例2热水预处理含碱密化玉米秸秆和稀碱预处理密化玉米秸秆酶水解效果的比较。A：热水预处理含碱密化玉米秸秆，121℃，10分钟；B：稀碱预处理密化秸秆，121℃，20分钟。
图3为实施例3加入氢氧化钙溶液密化玉米秸秆后不同储存天数对酶水解效果的比较图(氢氧化钙加量为玉米秸秆干重的15％)。
图4为实施例4加入氢氧化钠溶液密化玉米秸秆后不同储存天数对酶水解效果的比较图(氢氧化钙加量为玉米秸秆干重的30％)。
具体实施方式
为了便于理解本发明，以下将结合说明书附图和较佳的实施例来对本发明做更全面，细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
下文所用到的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同，除非另有定义。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体事例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的试剂，原料，仪器和设备等均可市场购买得到或者已经有的方法制备得到。
实施例中使用以下的缩写：
“PCS”是密化玉米秸秆(Pellted corn stover)，“RAP”是常温碱密化玉米秸秆(Room temperature alkali pelleted corn stover)，“RAP-W”是水洗常温碱密化玉米秸秆(Washing room temperature alkali pelleted corn stover)。
下述实施例密化过程中采用颗粒机进行密化。
实施例1
在玉米秸秆密化过程中加入碱，包括以下步骤：
1、原料准备：将农田里的玉米秸秆收集后，自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、密化过程：将粉碎后的玉米秸秆喷洒氢氧化钠溶液，使得氢氧化钠与玉米秸秆干重的比例为0.3:1，水的含量为0.5g/g玉米秸秆，使用造粒机对均匀混合碱性试剂的玉米秸秆进行密化操作。反应后，在常温下放置6天。
本实施例中，有无碱性试剂密化后玉米秸秆在不同的储存时间的秸秆表面变化，如图1所示。图1(a)为无碱性试剂密化的玉米秸秆颗粒在第1天秸秆表面的现象；图1(b)为在常温下放置第6天无碱性试剂密化玉米秸秆颗粒表面的现象；图1(c)为加入30％(基于玉米干重)氢氧化钠溶液密化的玉米秸秆颗粒在第一天秸秆表面的现象；图1(d)为在常温下放置六天的氢氧化钠溶液密化玉米秸秆颗粒。从图(a)和(b)可以看出未加入碱性试剂的密化玉米秸秆在第六天有微生物在上面生长，而图(c)和(d)的加入高碱溶液的密化玉米秸秆无微生物的生长。
实施例2
热水预处理含有氢氧化钠密化的玉米秸秆和稀碱预处理密化玉米秸秆酶水解效果的比较，包括以下步骤：
(1)稀碱预处理密化玉米秸秆步骤：
1、原料准备：将农田里的玉米秸秆收集后，自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、无碱密化预处理：将粉碎后的玉米秸秆置于封口袋中，均匀地喷洒水，水的含量为0.5g/g干物，在常温下进行密化操作，处理后，密化秸秆放置在室温条件下。
3、稀碱预处理密化玉米秸秆：将无碱密化预处理的玉米秸秆置于反应釜中，加入氢氧化钠溶液，氢氧化钠的含量为0.3g/g干物，玉米秸秆的干物浓度为10％(基于总质量)。快速升高到121℃和维持温度20分钟。
4、将预处理后的秸秆置于酶水解反应器中，底物质量浓度为10％(基于总质量)，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在50℃的振荡箱(250rpm)内进行酶解反应，酶水解24小时。
(2)热水预处理含碱密化玉米秸秆步骤：
1、原料准备：将农田里的玉米秸秆收集后，自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、加碱溶液密化预处理：将粉碎后的玉米秸秆置于封口袋中，均匀的喷洒碱性溶液，氢氧化钠和水的量根据玉米秸秆的干重决定，氢氧化钠的含量为0.3g/g干物，水的含量为0.5g/g干物，在常温下进行密化操作，处理后，密化秸秆放置在室温条件下。
3、热水预处理含碱密化玉米秸秆：将含碱密化的玉米秸秆置于反应釜中，加入87％(基于总质量)的水，快速升高至121℃，维持10分钟。
4、将预处理后的秸秆置于酶水解反应器中，底物质量浓度为3％，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在50℃的振荡箱(250rpm)内进行酶解反应，酶水解24小时。
本实施例中热水预处理含有氢氧化钠密化的玉米秸秆和稀碱预处理密化玉米秸秆10％底物酶水解效果对比，如图2所示。
Figure BDA0002020385800000061
表示10％密化玉米秸秆酶水解葡萄糖的浓度，
Figure BDA0002020385800000062
表示10％密化玉米秸秆酶水解木糖的浓度。从图2可以看出热水预处理含碱密化的玉米秸秆酶水解的葡萄糖的浓度30.5g/L和木糖的浓度也达到12.6g/L。然而，稀碱预处理密化玉米秸秆酶水解的葡萄糖浓度为28.8g/L和木糖的浓度为10.5g/L。两种糖的浓度都比热水预处理的含碱密化玉米秸秆浓度要低，表明热水预处理含碱密化玉米秸秆预处理效果比较好，碱跟玉米秸秆充分的混合，使预处理效果更好。
实施例3
加入氢氧化钙溶液密化玉米秸秆后不同储存天数对酶水解效果的比较(氢氧化钙加量为玉米秸秆干重的15％)，包括以下步骤：
1、原料准备：将农田里的玉米秸秆收集后，自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、密化处理：将粉碎后的玉米秸秆置于封口袋中，均匀的喷洒氢氧化钙溶液，氢氧化钙和水的量根据玉米秸秆的干重决定，氢氧化钙的含量为0.15g/g干物，水的含量为0.5g/g干物，在常温下进行密化操作，处理后，密化秸秆放置在室温条件下0，6，12天。
3、将不同天数的密化玉米秸秆置于酶水解反应器中，底物质量浓度为3％(基于总质量)，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在50℃的振荡箱(250rpm)内进行酶解反应，酶水解24小时。
本实施例中，加入氢氧化钙溶液密化玉米秸秆不同储存天数对酶水解效果的影响，如图3所示。
Figure BDA0002020385800000063
表示3％密化玉米秸秆酶水解葡萄糖的浓度，
Figure BDA0002020385800000064
表示3％密化玉米秸秆酶水解木糖的浓度。从图3可以看出玉米秸秆经过密化后，随着密化玉米秸秆储存天数的增加，酶水解的葡萄糖和木糖浓度都是的增加的，且在储存的第12天，3％的干物酶水解葡萄糖的浓度达到6.9g/L，木糖的浓度为2.8g/L。
实施例4
加入氢氧化钠溶液密化玉米秸秆后不同储存天数对酶水解效果的比较(氢氧化钙加量为玉米秸秆干重的30％)，包括以下步骤：
1、原料准备：将农田里的玉米秸秆收集后，自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、密化处理：将粉碎后的玉米秸秆置于封口袋中，均匀的喷洒氢氧化钠溶液，氢氧化钠和水的量是根据玉米秸秆的干重决定的，氢氧化钠的含量为0.3g/g干物，水的含量为0.5g/g干物，在常温下进行密化操作，处理后，密化秸秆放置在室温条件下2，6，12天。
3、将不同天数的密化玉米秸秆置于酶水解反应器中，底物质量浓度为3％(基于总质量)，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在50℃的振荡箱(250rpm)内进行酶解反应，酶水解24小时。
本实施例中，加入氢氧化钠溶液密化玉米秸秆不同储存天数对酶水解效果的影响，如图4所示。
Figure BDA0002020385800000071
表示3％密化玉米秸秆酶水解葡萄糖的浓度，
Figure BDA0002020385800000072
表示3％密化玉米秸秆酶水解木糖的浓度。从图4可以看出玉米秸秆经过密化后，随着密化玉米秸秆储存天数的增加，酶水解的葡萄糖和木糖浓度都是增加的，且在储存的第12天，3％的干物酶水解葡萄糖的浓度达到8.0g/L，木糖的浓度为3.0g/L。

Claims (10)

1.密化过程中添加碱性试剂对木质纤维素进行预处理的方法，其特征在于，具体步骤如下：
在木质纤维素原料中，加入碱性试剂或碱性溶液，混合均匀后进行密化处理，形成压缩致密形状的密化木质纤维素，然后进行酶水解和发酵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素选自小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、软木、硬木、水草、水生植物、藻类以及动物粪便中的一种或者多种；木质纤维素的水分含量为0％～90％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱性试剂选自氢氧化钠，氢氧化钙，氢氧化钾，醋酸钠，碳酸钠，碳酸氢钠，硫酸钠，乙二胺，三乙胺，氨水或液氨；所述的碱性溶液为氧化钙或氧化钠。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱性试剂占木质纤维素质量的0.01％～10.0％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱性试剂或碱性溶液的加入方式为直接倒入或加入、喷洒、通入蒸汽、喷入碱性气体的方式，使碱性试剂或碱性溶液和木质纤维素混合均匀后进行木质纤维素密化处理；或在密化过程中将碱性试剂或碱性溶液与木质纤维素一起加入密化仪器中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，密化木质纤维素静置一天以上，再进行酶水解。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在酶水解之前对密化木质纤维素进行进一步的处理，所述的处理为在密化木质纤维素表面喷洒水，通入蒸汽，浸泡，暴晒，低温冷冻，高温处理，微波和超声破碎中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在酶水解之前对密化木质纤维素进行进一步的预处理，所述的进一步预处理为蒸汽爆破预处理、热水预处理、蒸汽预处理的水热预处理；或稀强酸预处理、弱酸预处理和氧化性酸预处理及其混合酸预处理的酸性预处理；或稀强碱预处理、弱碱预处理、氨预处理和氧化性碱预处理或混合碱预处理的碱性预处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的密化木质纤维素的密度为100-1500kg/m3；所述的压缩致密形状为棒状，粒状，块状或丸粒状；棒状规格：直径0.5mm-30cm；粒状的规格：直径0.1cm-50cm；块状的规格：长度为0.1cm-200cm，宽度为0.1cm-200cm，高度为0.1cm-200cm；丸粒状的规格：直径0.1cm-50cm，厚度0.01cm-20cm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的酶水解采用的水解酶选自纤维素酶和/或与半纤维素酶，果胶酶，木聚糖酶一种或者多种组合；所述的发酵采用的发酵微生物为酵母、细菌或霉菌。
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