一种利用氨水低温预处理杂交狼尾草的方法

摘要

本发明涉及一种利用氨水低温预处理杂交狼尾草的方法。本发明采用氨水低温预处理杂交狼尾草，预处理完毕后对原料进行酶水解糖化，酶水解液中的葡萄糖和木糖浓度采用高效液相色谱测定，从而计算预处理原料的水解得率。预处理的条件为温度为50～70℃，时间为24～72小时，料液比为1:6～1:10时，原料冲洗干净进行水解，葡萄糖得率达到92.3～95.4％，木糖得率达到86.9～94.2％。该方法具有操作简单、条件温和、酶解效率高、氨水可回收等特点，适于工业化大批量处理。

说明书

技术领域

本发明涉及生物质的预处理技术领域，具体涉及一种利用氨水低温预处理杂交狼尾草的方法。

背景技术

由于全球能源危机的不断加剧，传统能源引发了一系列的生态问题，生物质能源越来越受到重视。杂交狼尾草是生物质能源转化的主要原料之一，是禾本科狼尾草属多年生牧草，是以巨象草为父本、美洲狼尾草为母本培育而成的三倍体杂种，其较好地综合了巨象草和美洲狼尾草的品质优点如：生长速度快、生物量大、较耐盐、对土壤要求不高、光合效率高、抗逆性强、适应性广、能源转化核心成分含量高等。杂交狼尾草用途广泛，但在国内外主要作为牧草使用，关于生物质转化方面的研究较少。与其他生物质原料相比而言，利用杂交狼尾草进行生物质转化具有很大优势。

木质纤维的生物转化都需要经过酶水解生成单糖，然后进一步转化成生物燃料。直接对原料进行酶水解其效率低下，通过预处理可提高酶水解效率。关于杂交狼尾草的预处理方式已有高温水热预处理、酸预处理、碱预处理、离子液体预处理。高温水热预处理能显著提高杂交狼尾草的糖类物质回收率，文献高温液态水处理杂交狼尾草提高总糖收率，太阳能学报，2016，7，1650-1655中杂交狼尾草的最优预处理条件下总糖收率可达到90.4％，但是高温液态水降解了大量的半纤维素和木质素，致使半纤维素降解于处理液中难以回收，而且能耗偏高。关于杂交狼尾草酸预处理，文献以草本植物为原料的稀酸预处理及发酵研究，西南农业学报2011，24，105-109中用使用了1.5％稀硫酸，木质素和半纤维素均有脱除，最终可发酵出16.0g/L的乙醇，但是此方法半纤维素损失较多而且对设备的耐腐蚀性要求较高。关于杂交狼尾草的碱预处理，文献杂交狼尾草碱预处理研究，云南化工，2016，43，11-14中用氢氧化钠、氢氧化钙、尿素这几种试剂做了研究，虽然这些方法可以脱除杂交狼尾草中大量的木质素，避免了酶水解中木质素对酶的大量吸附，但是这些预处理中试剂都不可回收，存在废液污染严重，预处理原料难以冲洗至中性等问题。齐鲁工业大学，2016，王胜丹硕士论文中利用离子液体预处理杂交狼尾草，用O₂/[Emim]Ac体系最佳预处理条件下杂交狼尾草的葡萄糖得率可提高了9.4倍，此方法有原料三大化学组成易分离，离子液体可回收并循环使用的特点，但是需要筛选不同体系且预处理成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种杂交狼尾草高效酶水解的预处理方法，该方法以杂交狼尾草为原料，加入氨水溶液进行预处理，然后对预处理后的原料进行酶水解糖化，获得可发酵单糖，该糖可用于发酵生产生物燃料。

本发明的技术解决方案是提供一种利用氨水低温预处理杂交狼尾草的方法，包括以下步骤：

步骤一：将粉碎后的杂交狼尾草与氨水混合，置于反应瓶后密封，低温水浴加热反应后冷却；

步骤二：对步骤一冷却后的反应液进行固液分离，滤渣用水洗至中性用于酶水解。

优选地，步骤一中氨水的质量分数为25％～28％。

优选地，步骤一中氨水的质量分数为26％。

优选地，杂交狼尾草与氨水的质量比为1:6～1:10。

优选地，杂交狼尾草与氨水的质量比为1:10。

优选地，水浴加热温度为50～70℃，水浴反应时间为24～72小时。

优选地，水浴加热温度为70℃，水浴反应时间为72小时。

优选地，酶水解过程具体为：称取一定量的步骤二预处理后的原料于锥形瓶中，加入pH等于5.0的水溶液、纤维素酶和木聚糖酶，摇匀后将锥形瓶置于恒温摇床中50℃下水解48小时，沸水浴中10分钟灭酶，得水解液。

优选地，酶水解的原料质量浓度为2％，每克干物质酶剂量为5FPU纤维素酶和2mg木聚糖酶。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用的处理液是氨水，与一般的酸碱、有机溶剂、离子液体等试剂相比，氨水可回收且成本低，符合绿色化学理念；

2、氨水不燃烧，腐蚀性小，对设备要求低；

3、本发明通过较低的温度预处理实现了能源草的完全酶水解；

4、本发明酶水解过程中的酶剂量大幅度减少；

5、本发明工艺简单、成本低、符合绿色化学理念，具有工业大批量生产前景。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

(1)预处理

称取绝干重为40克的杂交狼尾草置于反应瓶中，按照料液比1:6加入质量分数26％的氨水溶液，放入50℃的水浴锅中预处理24小时。温和预处理结束后立即放出蒸汽、卸料并冷却，利用离心机进行固液分离，用水将预处理原料洗涤至中性用于生物酶水解。

(2)酶水解

称取1克预处理原料于锥形瓶中，加入纤维素酶和木聚糖酶，酶剂量分别为5FPU/gDM(干物质)、2mg/g DM，最后加入pH等于5.0的柠檬酸钠缓冲液使底物质量浓度为2％，摇匀后置于恒温摇床中50℃下水解48小时。水解完成后在沸水浴中煮沸10分钟使酶失活。冷却至室温后，将水解液离心，上清液采用高效液相色谱检测单糖，根据下述公式计算预处理原料单糖水解率：

公式中底物中的纤维素和木聚糖含量依据美国国家可再生能源实验室方法测定；

计算得出葡萄糖得率为92.3％，木糖得率为87.3％。预处理原料的纤维素酶水解率：

实施例二

(1)预处理

预处理方法和反应条件与实施例一基本相同，区别之处在于预处理时间为72小时。

(2)酶水解

酶水解方法和反应条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为93.4％，木糖得率为86.9％。

实施例三

(1)预处理

预处理方法和反应条件与实施例一基本相同，区别之处在于预处理时间为36小时。

(2)酶水解

酶水解方法和反应条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为92.5％，木糖得率为87.2％。

实施例四

(1)预处理

预处理方法和反应条件与实施例一基本相同，区别在于预处理温度为70℃。

(2)酶水解

酶水解方法和反应条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为93.6％，木糖得率为93.1％。

实施例五

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例一基本相同，区别在于预处理温度为70℃，预处理时间为72小时。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为94.8％，木糖得率为92.4％。

实施例六

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例一基本相同，区别在于预处理温度为70℃，预处理时间为36小时。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为93.9％，木糖得率为91.8％。

实施例七

(1)预处理

预处理方法和反应条件与实施例一基本相同，区别在于预处理温度为60℃。

(2)酶水解

酶水解方法和反应条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为92.6％，木糖得率为92.4％。

实施例八

(1)预处理

预处理方法和反应条件与实施例一基本相同，区别在于预处理温度为60℃，预处理时间为36小时。

(2)酶水解

酶水解方法和反应条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为92.6％，木糖得率为92.4％。

实施例八

(1)预处理

预处理方法和反应条件与实施例一基本相同，区别在于预处理温度为60℃，预处理时间为72小时。

(2)酶水解

酶水解方法和反应条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为93.4％，木糖得率为92.8％。

实施例九

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例一基本相同，区别在于按照料液比1:10加入质量分数26％的氨水溶液。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为95.4％，木糖得率为88.7％。

实施例十

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例二基本相同，区别在于按照料液比1:10加入质量分数26％的氨水溶液。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为95.2％，木糖得率为87.8％。

实施例十一

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例三基本相同，区别在于按照料液比1:10加入质量分数26％的氨水溶液。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为94.4％，木糖得率为94.2％。

实施例十二

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例四基本相同，区别在于按照料液比1:10加入质量分数26％的氨水溶液。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为95.1％，木糖得率为94.0％。

实施例十三

(1)预处理

预处理方法和反应条件与实施例八基本相同，区别在于按照料液比1:10加入质量分数26％的氨水溶液。

(2)酶水解

酶水解方法和反应条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为95.5％，木糖得率为93.7％。

实施例十四

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例一基本相同，区别在于氨水溶液的质量分数25％。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为91.4％，木糖得率为86.7％。

实施例十五

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例二基本相同，区别在于氨水溶液的质量分数25％。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为92.2％，木糖得率为86.5％。

实施例十六

(1)预处理

预处理方法和条件与实施例三基本相同，区别在于氨水溶液的质量分数28％。

(2)酶水解

酶水解方法和条件与实施例一相同，最终葡萄糖得率为92.4％，木糖得率为88.2％。