一种可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处理方法

摘要

本发明涉及一种可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处理方法，步骤如下：将麦草秸秆浸泡后进行螺旋挤压，加入H

说明书

技术领域

本发明属于生物质利用的技术领域，尤其是一种可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处 理方法。

背景技术

随着人类社会的飞速发展，自然界中的煤炭、石油、天然气资源则日益减少，由其使用 引发的全球变暖、环境污染等问题及引起的其他环保问题日益突出。对于人类社会而言，寻 找和使用绿色、清洁、可再生能源已经迫在眉睫。由此产生了“生物质精炼（Biorefinery）” 的概念，并业已成为世界各国的重要战略研究方向之一。据预测，到2020年将有50%的有机 化学品和材料产自生物质原料，2000-2020年将是世界各国大力发展生物质能源的关键时期。 预计2020年，我国生物质能的利用量将占到一次能源总消费量的4%。

生物质是地球上最丰富的有机能源，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，是地球 上仅次于煤炭、石油和天然气资源的第四大能源。生物质是人类社会最重要的能量来源，每 年的产量达到1700亿吨，这些丰富的生物质资源对实现世界经济的可持续发展、实现环境保 护和资源的有效利用具有重要的意义。目前，国内外对生物质资源的利用主要体现在燃料乙 醇、生物柴油、生物质电能、沼气、生物质材料等方面。制浆造纸工业是最早的利用天然纤 维素的工业，也是唯一一个集大规模采集、加工和利用生物质原料的工业。将制浆造纸与生 物质能源结合，在造纸企业获得纸浆和纸的同时，还可以生产高附加值的燃料和化学品，如 乙醇、碳纤维、聚合物、煤油和生物柴油，这也有利于实现制浆造纸工业的可持续发展。

我国是农业大国，非木材纤维素类（如麦草、玉米秸秆、蔗渣等）生物质资源相当丰富， 据报道，我国各类农作物的秸秆年总产量达7亿多吨，其中稻草2.3亿吨，玉米杆2.2亿吨， 豆类和秋杂粮作物秸秆1.0亿吨，花生和薯类藤蔓、甜菜叶等1.0亿吨。但是，这些资源大部 分以堆积、燃烧等形式被废弃，造成了极大的环境污染和资源浪费，将这些资源转化成气体 燃料或液体燃料（如氢气、酒精、柴油等），不但可以解决人类所面临的资源危机、食物短 缺、环境污染等一系列问题，也能为人类社会的可持续发展提供保证。利用农作物秸秆生产 燃料乙醇具有成本低廉、资源丰富等优势。有研究表明，使用纤维素乙醇作为燃料可减少14% 的温室气体排放量。

通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可有效实现麦草酶水解的预处理 方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处理方法，步骤如下：

⑴将麦草秸秆置于90-100℃的热水中浸泡20-30分钟，然后将热水浸泡过的麦草秸秆 进行螺旋挤压，螺旋挤压的压缩比为3:1-5:1；

⑵向经过螺旋挤压处理后的麦草秸秆中加入相对于绝干麦草秸秆质量1.0%-3.0%的 H₂SO₄，该H₂SO₄的质量浓度为98%，或相对于绝干麦草质量10%-20%的氢氧化钠，然后加 入蒸馏水，绝干麦草秸秆质量与加入蒸馏水后的总液体体积比为1:4-1:10，进行蒸煮，蒸煮 温度为100-170℃，蒸煮过程中的升温时间控制在40-60分钟，保温时间为10-60分钟；

⑶将经过稀硫酸或碱预处理后的麦草秸秆置于螺旋挤压机中挤压1-2次，并收集预提取 液，挤压处理后的麦草秸秆经过水充分洗涤至pH值呈中性，再经过螺旋挤压机挤压1-2次， 螺旋挤压机的压缩比均为3:1-5:1，得经过平衡水分处理后的麦草秸杆；

⑷将相对于绝干麦草质量1.0%-5.0%的氢氧化钠和相对于绝干麦草质量1.0%-5.0%的亚 硫酸钠溶解在蒸馏水中，然后将该药品混合液加入步骤⑶中提及的经过平衡水分处理后的麦 草秸杆中，通过加入蒸馏水，最终配成麦草秸秆质量浓度为10-30%的体系，密封后在恒温水 浴中进行化学预浸渍处理，处理温度为60-90℃，处理时间20-40分钟，得化学预浸渍处理 后的麦草；

⑸将步骤⑷中化学预浸渍处理后的麦草进行两段磨解处理：第一段为压力磨解，具体条 件为：温度120-170℃，压力0.1-0.7MPa，麦草浆料的质量浓度为10%-30%，磨解2-7分钟； 第二段为常压磨解，具体条件为：盘磨间隙0.08-0.10mm，麦草浆料的质量浓度10%-30%， 得磨解后麦草浆料纤维；

⑹将步骤⑸中磨解后麦草浆料纤维经过筛选并收集通过0.15mm筛缝的级分，将收集到 的麦草浆料纤维级分脱水至浓度为15%-25%，然后经过磨浆至打浆度为30-70°SR，收集得 打浆后麦草浆料级分，用于后续的生物酶水解；

⑺在无菌条件下，向打浆后麦草浆料级分中按打浆后麦草浆料级分：pH=4.5乙酸—乙 酸钠缓冲液的比例g：mL为1：25加入pH=4.5乙酸—乙酸钠缓冲液，充分搅拌后加入酶液， 然后加入蒸馏水使底物的质量浓度为1.0%-5.0%，无菌条件下进行恒温培养酶解，酶解后即 得麦草秸秆水解液；

其中，恒温培养酶解的条件为：反应温度45-65℃，反应时间2-72小时；pH4-6；转速 100-160rpm。

而且，所述步骤⑻中酶液为纤维素葡聚糖酶与纤维素二糖酶的复合酶，纤维素葡聚糖酶 用量为31-33EGU/g底物，纤维素二糖酶的用量为63-65CBU/g底物，其中，①纤维素葡聚 糖酶的酶活为650-750EGU/g，温度为50-60℃，pH值为4.5-6.0；②纤维素二糖酶的酶活为 240-260CBU/g，温度为50-60℃，pH值为4.5-6.0；

或者，酶液为纤维素酶，纤维素酶的用量为80CBU/g底物，其中，所用纤维素酶的酶活 为：脱脂棉酶活3-4IU/mL，滤纸酶活5-6IU/mL，羧甲基纤维素酶活30-31IU/mL；

而且，所述酶液为纤维素葡聚糖酶与纤维素二糖酶的复合酶，纤维素葡聚糖酶用量为32 EGU/g底物，纤维素二糖酶的用量为64CBU/g底物，其中，①纤维素葡聚糖酶的酶活为700 EGU/g，适宜温度为50-60℃，pH值为4.5-6.0；②纤维素二糖酶的酶活为250CBU/g，适宜 温度为50-60℃，pH值为4.5-6.0；

或者，所述酶液为纤维素酶的用量为80CBU/g底物，其中，所用纤维素酶的酶活为：脱 脂棉酶活3.86IU/mL，滤纸酶活5.97IU/mL，羧甲基纤维素酶活30.44IU/mL。

而且，所述步骤⑴中螺旋挤压的压缩比为4:1。

而且，所述步骤⑶中螺旋挤压的压缩比为4:1。

而且，所述步骤⑹中磨解后麦草浆料纤维经过筛选前还经过如下的处理：两段磨解处理 后，将所得磨解后麦草浆料纤维加入95℃的热水中，配成质量浓度为3.0%，搅拌40分钟， 然后在疏解机中进行疏解。

而且，所述步骤⑺中pH=4.5乙酸—乙酸钠缓冲液的配制方法为：每升缓冲液为：精确称 取164g乙酸钠，然后加入300mL蒸馏水溶解，再加入84mL的质量分数为99.5%的冰乙酸， 稀释至1000mL即可。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明方法充分利用了制浆工业中现有的部分设备，不需要额外投资即可完成预处理 工艺，节省了大量的经济成本，同时也有利于现有工厂与生物质精炼工业的有效融合以发展 复合型生物质精炼工业，有利于制浆造纸工业的可持续发展。

2、本发明方法充分借助化学法处理和机械法处理的有机结合，不仅能提取大部分半纤维 素或木素，而且能提高纤维素的暴露程度从而提高其可及性，提高麦草秸秆的物尽其用和高 效转化。

3、本发明方法的麦草秸秆在水解29.5小时后，水解液中葡萄糖的浓度达到7140mg/L， 底物的葡萄糖转化率达到89.73%；水解48.5小时后，水解液中葡萄糖的浓度达到7770mg/L， 底物的葡萄糖转化率达到97.64%，转化效率较高，麦草秸秆也得到了充分的利用，节约了能 源。

附图说明

图1为本发明可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处理方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的， 不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

一种可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处理方法，步骤如下：

⑴首先对麦草原料进行切断和筛选，选取5cm左右的麦草秸秆，清水洗涤3-4次；

⑵将选取的麦草秸秆置于95℃的热水中浸泡20分钟，然后，将热水浸泡过的麦草秸秆 置于螺旋挤压疏解机中进行挤压疏解，螺旋挤压机的压缩比为4:1；

⑶将经过螺旋挤压处理后的麦草置于蒸煮罐中，加入1.5%（w/w）（相对于绝干麦草质 量）的H₂SO₄（分析纯，质量浓度为98%），然后加入蒸馏水，绝干麦草秸秆质量与加入蒸馏 水后的总液体体积比为1:10，进行蒸煮，蒸煮温度为150℃，蒸煮过程中的升温时间控制在 60分钟，保温时间为50分钟，经过一定程度的稀硫酸预处理以提取麦草中的部分半纤维素， 同时达到破坏麦草纤维结构的目的，使麦草纤维素更多地暴露出来；

⑷将经过稀硫酸预处理后的麦草置于螺旋挤压机中挤压1-2次，并收集预提取液，用于 半纤维素和木素的分离和利用，挤压处理后的麦草经过充分洗涤至pH值呈中性，再经过螺 旋挤压机挤压1-2次，以尽量去除水分，螺旋挤压机的压缩比均为4:1，得经过平衡水分处理 后的麦草秸杆；

⑸将相对于绝干麦草质量3.0%（w/w）的氢氧化钠（NaOH）和相对于绝干麦草质量4.0% （w/w）的亚硫酸钠（Na₂SO₃）溶解在蒸馏水中，然后将该药品混合液加入步骤⑶中提及的 经过平衡水分处理后的麦草秸杆中，通过加入蒸馏水，最终配成麦草秸秆质量浓度为20% （w/w）的浓度，密封后恒温水浴进行化学预浸渍处理，处理温度为80℃，处理时间30分 钟，得化学预浸渍处理后的麦草；

⑹麦草经过上述步骤的化学预浸渍处理后，经过两段磨解处理：第一段为压力磨解，具 体条件为：温度120-170℃，麦草浆料的质量浓度为20%（w/w），压力0.7MPa，磨解5分 钟；第二段为常压磨解，具体条件为：盘磨间隙0.08mm，麦草浆料的质量浓度为20%（w/w）， 得磨解后麦草浆料纤维；

⑺两段磨解处理后，将所得磨解后麦草浆料纤维加入95℃的热水中，配成质量浓度为 3.0%（w/w）的体系，搅拌40分钟，然后在疏解机中进行疏解，疏解后的麦草浆料纤维经过 筛选（筛缝为0.15mm），收集通过0.15mm筛缝的级分。将收集到的麦草浆料纤维级分脱水 至浓度为20%（w/w）左右。然后，将麦草浆料纤维级分经过磨浆至打浆度为65±5°SR，收 集并用于后续的生物酶水解；

⑻在进行酶水解前，所用仪器（酶水解所用锥形瓶以及密封锥形瓶的纱布、脱脂棉和牛 皮纸等）均经过121℃的高温灭菌处理60分钟。

⑼在150毫升锥形瓶中加入1.0g（相当于绝干量）的上述麦草浆料纤维级分，加入25mL 的乙酸—乙酸钠（pH=4.5）缓冲液，接着放置在磁力搅拌器上搅拌使浆料纤维充分分散，待 底物分散后加入相应的纤维素酶液，然后加入蒸馏水使底物的最终浓度为2.0%（w/w），利用 脱脂棉、纱布和牛皮纸将锥形瓶瓶口盖实；将该锥形瓶置于恒温培养振荡器中，在一定温度 下反应一定时间，即得麦草秸秆水解液。乙酸—乙酸钠（pH=4.5）缓冲液的配制方法为：精 确称取164g乙酸钠（CH₃COONa·3H₂O），加入烧杯中，然后加入300mL蒸馏水溶解，倒进 容量瓶中再加入84mL冰乙酸（分析纯，质量浓度为99.5%），稀释至1000mL即可。具体的 酶水解条件：①底物浓度2.0%；②反应温度55℃；③反应时间24-72小时；④转速160rpm； ⑤纤维素酶的用量为80CBU/g底物。其中，所用纤维素酶的酶活为：脱脂棉酶活3.86IU/mL， 滤纸酶活5.97IU/mL，CMC（羧甲基纤维素）酶活30.44IU/mL。

检测结果：

上述酶水解条件下：水解29.5小时后，水解液中葡萄糖的浓度为7140mg/L，底物的葡 萄糖转化率为89.73%；水解48.5小时后，水解液中葡萄糖的浓度为7770mg/L，底物的葡萄 糖转化率为97.64%。

实施例2

一种可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处理方法，步骤如下：

⑴首先对麦草原料进行切断和筛选，选取5cm左右的麦草秸秆，清水洗涤3-4次；

⑵将选取的麦草秸秆置于95℃的热水中浸泡20分钟，然后，将热水浸泡过的麦草秸秆 置于螺旋挤压疏解机中进行挤压疏解，螺旋挤压机的压缩比为4:1；

⑶将经过螺旋挤压处理后的麦草置于蒸煮罐中，加入10%（相对于绝干麦草质量）的 NaOH，然后加入蒸馏水，绝干麦草秸秆质量与加入蒸馏水后的总液体体积比为1:10，进行蒸 煮，蒸煮温度为150℃，蒸煮过程中的升温时间控制在60分钟，保温时间为50分钟，经过 一定程度的稀硫酸或碱预处理以提取麦草中的部分半纤维素，同时达到破坏麦草纤维结构的 目的，使麦草纤维素更多地暴露出来；

⑷将经过稀硫酸或碱预处理后的麦草置于螺旋挤压机中挤压1-2次，并收集预提取液， 用于糖类及木素的分离和利用。挤压处理后的麦草经过充分洗涤至pH值呈中性，再经过螺 旋挤压机挤压1-2次，以尽量去除水分，螺旋挤压机的压缩比均为4:1，得经过平衡水分处理 后的麦草秸杆；

⑸将相对于绝干麦草质量3.0%（w/w）的氢氧化钠（NaOH）和相对于绝干麦草质量4.0% （w/w）的亚硫酸钠（Na₂SO₃）溶解在蒸馏水中，然后将该药品混合液加入步骤⑶中提及的 经过平衡水分处理后的麦草秸杆中，通过加入蒸馏水，最终配成麦草秸秆质量浓度为20% （w/w）的浓度，密封后恒温水浴进行化学预浸渍处理，处理温度为80℃，处理时间30分 钟，得化学预浸渍处理后的麦草；

⑹麦草经过上述步骤的化学预浸渍处理后，经过两段磨解处理：第一段为压力磨解，具 体条件为：温度120-170℃，压力0.3MPa，麦草浆料的质量浓度为20%（w/w），磨解7分 钟；第二段为常压磨解，具体条件为：盘磨间隙0.08mm，麦草浆料的质量浓度为20%（w/w）， 得磨解后麦草浆料纤维；

⑺两段磨解处理后，将所得磨解后麦草浆料纤维加入95℃的热水中，配成约3.0%（w/w） 的体系，搅拌40分钟，然后在疏解机中进行疏解，疏解后的麦草浆料纤维经过筛选（筛缝为 0.15mm），收集通过0.15mm筛缝的级分。将收集到的麦草浆料纤维级分脱水至浓度为20% （w/w）左右。然后，将麦草浆料纤维级分经过磨浆至打浆度为65±5°SR，收集并用于后续 的生物酶水解；

⑻在进行酶水解前，所用仪器（酶水解所用锥形瓶以及密封锥形瓶的纱布、脱脂棉和牛 皮纸等）均经过121℃的高温灭菌处理60分钟。

⑼在150毫升锥形瓶中加入1.0g（相当于绝干量）的上述麦草浆料纤维级分，加入25mL 的乙酸—乙酸钠（pH=4.5）缓冲液，接着放置在磁力搅拌器上搅拌使浆料纤维充分分散，待 底物分散后加入相应的纤维素酶液，然后加入蒸馏水使底物的最终浓度为2.0%，利用脱脂棉、 纱布和牛皮纸将锥形瓶瓶口盖实；将该锥形瓶置于恒温培养振荡器中，在一定温度下反应一 定时间，即得麦草秸秆水解液。乙酸—乙酸钠（pH=4.5）缓冲液的配制方法为：精确称取164 g乙酸钠（CH₃COONa·3H₂O），加入烧杯中，然后加入300mL蒸馏水溶解，倒进容量瓶中再 加入84mL冰乙酸（分析纯，质量浓度为99.5%），稀释至1000mL即可。具体的酶水解条件： ①底物浓度2.0%；②反应温度55℃；③反应时间2-12小时；④转速130rpm；⑤纤维素酶 的用量为80CBU/g底物。其中，所用纤维素酶的酶活为：脱脂棉酶活3.86IU/mL，滤纸酶活 5.97IU/mL，CMC（羧甲基纤维素）酶活30.44IU/mL。

检测结果：

在上述酶水解条件下：水解4小时后，水解液中葡萄糖的浓度为3570mg/L，底物的葡 萄糖转化率为53.56%；水解10.5小时后，水解液中葡萄糖的浓度为6160mg/L，底物的葡萄 糖转化率为92.41%。

实施例3

一种可实现麦草秸秆高效酶水解转化的预处理方法，步骤如下：

⑴首先对麦草原料进行切断和筛选，选取5cm左右的麦草秸秆，清水洗涤3-4次；

⑵将选取的麦草秸秆置于95℃的热水中浸泡20分钟，然后，将热水浸泡过的麦草秸秆 置于螺旋挤压疏解机中进行挤压疏解，螺旋挤压机的压缩比为4:1；

⑶将经过螺旋挤压处理后的麦草置于蒸煮罐中，加入10%（相对于绝干麦草质量）的 NaOH，然后加入蒸馏水，绝干麦草秸秆质量与加入蒸馏水后的总液体体积比为1:10，进行蒸 煮，蒸煮温度为150℃，蒸煮过程中的升温时间控制在60分钟，保温时间为50分钟，经过 一定程度的碱预处理以提取麦草中的部分半纤维素，同时达到破坏麦草纤维结构的目的，使 麦草纤维素更多地暴露出来；

⑷将经过稀硫酸或碱预处理后的麦草置于螺旋挤压机中挤压1-2次，并收集预提取液， 用于糖类及木素的分离和利用。挤压处理后的麦草经过充分洗涤至pH值呈中性，再经过螺 旋挤压机挤压1-2次，以尽量去除水分，螺旋挤压机的压缩比均为4:1，得经过平衡水分处理 后的麦草秸杆；

⑸将相对于绝干麦草质量3.0%（w/w）的氢氧化钠（NaOH）和相对于绝干麦草质量4.0% （w/w）的亚硫酸钠（Na₂SO₃）溶解在蒸馏水中，然后将该药品混合液加入步骤⑶中提及的 经过平衡水分处理后的麦草秸杆中，通过加入蒸馏水，最终配成麦草秸秆质量浓度为20% （w/w）的浓度，密封后恒温水浴进行化学预浸渍处理，处理温度为80℃，处理时间30分 钟，得化学预浸渍处理后的麦草；

⑹麦草经过上述步骤的化学预浸渍处理后，经过两段磨解处理：第一段为压力磨解，具 体条件为：温度120-170℃，压力0.3MPa，麦草浆料的质量浓度为20%（w/w），磨解7分 钟；第二段为常压磨解，具体条件为：盘磨间隙0.08mm，麦草浆料的质量浓度为20%（w/w）， 得磨解后麦草浆料纤维；

⑺两段磨解处理后，将所得磨解后麦草浆料纤维加入95℃的热水中，配成约3.0%（w/w） 的浓度，搅拌40分钟，然后在疏解机中进行疏解，疏解后的麦草浆料纤维经过筛选（筛缝为 0.15mm），收集通过0.15mm筛缝的级分。将收集到的麦草浆料纤维级分脱水至浓度为20% 左右。然后，将麦草浆料纤维级分经过磨浆至打浆度为65±5°SR，收集并用于后续的生物酶 水解；

⑻在进行酶水解前，所用仪器（酶水解所用锥形瓶以及密封锥形瓶的纱布、脱脂棉和牛 皮纸等）均经过121℃的高温灭菌处理60分钟；

⑼在150毫升锥形瓶中加入1.0g（相当于绝干量）的上述麦草浆料纤维级分，加入25mL 的乙酸—乙酸钠（pH≈4.8）缓冲液，接着放置在磁力搅拌器上搅拌使浆料纤维充分分散，待 底物分散后加入相应的纤维素酶液，然后加入蒸馏水使底物的最终浓度为2.0%（w/w），利用 脱脂棉、纱布和牛皮纸将锥形瓶瓶口盖实；将该锥形瓶置于恒温培养振荡器中，在一定温度 下反应一定时间，即得麦草秸秆水解液。乙酸—乙酸钠（pH=4.5）缓冲液的配制方法为：精 确称取164g乙酸钠（CH₃COONa·3H₂O），加入烧杯中，然后加入300mL蒸馏水溶解，倒进 容量瓶中再加入84mL冰乙酸（分析纯，质量浓度为99.5%），稀释至1000mL即可。具体的 酶水解条件：①底物浓度2.0%（w/w）；②反应温度55℃；③反应时间2-36小时；④转速 120rpm；⑤所用生物酶为纤维素葡聚糖酶与纤维素二糖酶的复合酶，纤维素葡聚糖酶用量为 32EGU/g底物，二糖酶的用量为64CBU/g底物。其中，①纤维素葡聚糖酶的酶活为700 EGU/g，适宜温度为50-60℃，pH值为4.5-6.0；②纤维素二糖酶的酶活为250CBU/g，适宜 温度为50-60（w/w），pH值为4.5-6.0。

检测结果：

在上述酶水解条件下：水解12小时后，水解液中葡萄糖的浓度为4210mg/L，底物的葡 萄糖转化率为63.22%；水解24小时后，水解液中葡萄糖的浓度为5430mg/L，底物的葡萄糖 转化率为81.53%。