一种通过预处理提高木质纤维素生物质可酶解性的方法

摘要

本发明公开了一种通过预处理提高木质纤维素生物质可酶解性的方法，属于木质纤维素类生物质生化工程领域。本发明方法包括：将木质纤维素类生物质原料、氢氧化钠、醌类化合物、甘油在反应器中混合，并机械拌匀；开始升温，并以一定转速进行机械搅拌，待升至200～280℃后继续蒸煮10min～40min；反应结束后，冷却20～60min并加入一定量的水并继续机械搅拌，搅拌均匀后，过滤得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ；将滤饼Ⅰ用一定量的水洗涤1～3次，得到基质Ⅰ，25～80℃干燥后，干燥处保存备用。本发明提供的方法使得碱催化甘油预处理所使用的温度明显降低，缩短了处理时间，提高了和酶解率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过预处理提高木质纤维素生物质可酶解性的方法，属于木质纤维素类生物质生化工程领域。

背景技术

木质纤维素主要含碳水化合物聚合物(纤维素、半纤维素)和木质素三种成分，是地球上唯一种可再生且含量最丰富的生物质资源，主要包括木材和木材废弃物、农作物及其废弃副产物，如甘蔗渣、秸秆、谷壳等)及各种能源植物和城市固体废弃物等。其中碳水化合物是生物精炼的重要原料，而木质素可作为制备吸附剂、絮凝剂、聚氨酯等产品的绿色原料。可见，将碳水化合物与木质素进行分离是高效利用木质纤维素的前提。

纤维素微纤丝构成木质纤维素细胞壁的“骨架”，周围由半纤维素和木质素相交联，木质素外部与(半)纤维素链内/间通过氢键连接，内部除氢键外还与(半)纤维素通过共价键形成稳定的木质素-碳水化合物复合体，三者互相交织、结构复杂，这导致了木质纤维素类生物质的顽抗性。因此，寻找合适的预处理方法进行碳水化合物与木质素的分离是开发利用木质纤维素类生物质资源的重点和难点。研究表明，常压甘油有机溶剂预处理(AGOP)可以有效的分离碳水化合物与木质素，且在后续的生物精炼中不产生发酵抑制物，分离出的木质素具有更好的生物活性。其中，使用碱催化可以使AGOP的效果明显提升，碱催化AGOP可脱除15％半纤维素和80％木质素，使预处理后甘蔗渣纤维素、半纤维素和木质素含量分别为54％、34％和8％。但碳水化合物与木质素的分离效果尚有待提高。

醌类化合物具有降低木质素分解活化能，抑制碳水化合物剥皮反应的作用。基于此，本发明提出醌类化合物-碱催化甘油预处理的方法，实现木质素和碳水化合物的高效分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过预处理提高木质纤维素生物质可酶解性的方法，包括如下步骤：

(1)将木质纤维素类生物质原料、氢氧化钠、醌类化合物、甘油在反应器中混合，并机械拌匀；

(2)开始升温，并以一定转速进行机械搅拌，待升至200～280℃后继续蒸煮10min～40min；

(3)反应结束后，冷却20～60min并加入一定量的水并继续机械搅拌，搅拌均匀后，过滤得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ；

(4)将滤饼Ⅰ用一定量的水洗涤1～3次，得到基质Ⅰ，25～80℃干燥后，干燥处保存备用。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中，木质纤维素类生物质原料包括木材和木材废弃物，如速生桉、速生杨、椴木等；农作物及其废弃副产物，如，甘蔗渣、秸秆、谷壳等。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中，氢氧化钠的浓度为0.1％～0.2％(浴比1：10-1：20，质量分数，下文同)。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中，所述醌类化合物包括蒽醌、丹蒽醌、分散蒽醌、改性蒽醌、蒽氢醌、二氢蒽醌、二氢二羟基蒽醌、四氢蒽醌、2-羟基蒽醌、2-硝基蒽醌、1-甲基蒽醌、2-甲基蒽醌、2,7-二甲基蒽醌、1-甲氧基蒽醌、2-氨基蒽醌、蒽醌-2-磺酸钠、萘醌、2-蒽醌-羧酸、1,4-二氢-9,10-二羟基蒽二钠中的一种或几种。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中，所述醌类化合物加入量为总底物质量的0.1％～0.2％，其中，总底物包括木质纤维素类生物质原料、氢氧化钠和甘油。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中，甘油按1:8～1:15的浴比添加。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中，机械搅拌的转速为180～220rpm。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(3)中，水的使用量为木质纤维素类生物质原料的10～15倍；机械搅拌的转速为180～220rpm。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(4)中，每次水的使用量为木质纤维素类生物质原料的15～20倍。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(4)中，所得到滤饼Ⅰ的成分主要为纤维素和半纤维素。

本发明还提供了上述方法木质纤维素在酶解领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明方法加入了醌类化合物后，使得碱催化甘油预处理所使用的温度明显降低，可以降低20-30℃，且明显缩短了处理时间，最短可缩至10-20min，同时提高了纤维素/半纤维素得率，酶解率较未加入醌类化合物的体系高5％-10％。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

将10g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、140g甘油、0.1％蒽醌装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至215℃后保温10min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入150mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用200mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

对比例1

将10g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、140g甘油装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至245℃后保温20min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入150mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用200mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

实施例2

将10g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、140g甘油、0.1％的丹蒽醌装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至220℃后保温15min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入150mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用200mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

对比例2

将10g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、140g甘油装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至245℃后保温25min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入150mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用200mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

实施例3

将100g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、1500g甘油、0.15％的蒽醌装入2000mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至215℃后保温20min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入1500mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用2000mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。滴加硫酸酸将滤液Ⅰ的pH值调节至3.0，经0.45um微孔滤膜过滤得到滤饼Ⅱ和滤液Ⅱ。60℃烘箱将滤饼Ⅱ烘干至恒重，存备用，常温干燥处保存。实验结果见表1。

对比例3

将100g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、1500g甘油装入2000mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至255℃后保温30min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入1500mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用2000mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

实施例4

将10g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、150g甘油、0.2％的蒽醌装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至222℃后保温15min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入150mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用200mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

对比例4

将10g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、150g甘油装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为220r/min，待温度升至250℃后保温20min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入150mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用200mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

实施例5

将50g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、0.2％蒽醌-2-磺酸钠、700g甘油装入2000mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为200r/min，待温度升至2℃后保温20min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入750mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用1000mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

对比例5

将50g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、700g甘油装入2000mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为200r/min，待温度升至253℃后保温25min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入750mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用1000mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

实施例6

将30g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、0.1％分散蒽醌、450g甘油装入1000mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为200r/min，待温度升至233℃后保温18min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入450mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用600mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

对比例6

将30g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、450g甘油装入1000mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为200r/min，待温度升至233℃后保温20min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入450mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用600mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

实施例7

将20g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、300g甘油、0.2％的分散蒽醌装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为215r/min，待温度升至242℃后保温35min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入300mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用400mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

对比例7

将20g甘蔗渣、0.1％氢氧化钠、300g甘油、0.2％的分散蒽醌装入500mL直口三孔烧瓶后，机械搅拌混匀。将烧瓶放入加热套中加热，械搅拌速度设定为215r/min，待温度升至250℃后保温17min。蒸煮结束后，停止加热，冷却30min后缓缓加入300mL自来水并继续机械搅拌，待基质搅拌均匀后用G1砂芯漏斗过滤，得到滤饼Ⅰ和滤液Ⅰ。用400mL自来水洗涤滤饼Ⅰ两次，得到固体基质Ⅰ，在60℃烘箱将其烘干至恒重，常温干燥处保存备用。实验结果见表1。

组分含量测定方法：

引用美国国家可再生能源实验室的方法(NREL)对物料组分进行定量检测[57]。测定方法如下：(1)称取干燥待测样(0.3±0.005)g左右，记录质量m，准确量取3mL 72％硫酸加入体系，在30℃水浴锅中恒温搅拌反应1h；(2)反应结束后，将上一步所得的液体引流至150mL三角瓶中，同时加入84mL去离子水调整溶液酸性，在高压灭菌锅中121℃高温反应1h；(3)反应结束，静置待样品冷却及沉淀与上清液分层，吸取10mL上清液于塑料离心管中，加入约10g碳酸钙固体调节溶液pH至中性，离心后取上清液用0.22μm有机滤膜过滤装入液相瓶用HPLC检测葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的含量，然后利用公式计算纤维素和半纤维素的含量。剩余的反应液用G4#号砂芯漏斗抽滤后先于105℃条件下中烘至绝干，冷却称重m0，然后置于马弗炉中并设定温度为550℃灼烧，耗时约30h后取出计重m1，利用减重法测定木质素含量，计算公式如下：

维素含量＝葡萄糖浓度×87×10-3×0.9/0.3×100 (2-1)

半纤维素含量＝(木糖浓度+阿拉伯糖浓度)×87×10-3×0.88/0.3×100 (2-2)

木质素含量＝(m0-m1)/0.3×100 (2-3)

其中，0.9是纤维素转化为葡萄糖的转化系数；0.88是纤维素转化为木糖和阿拉伯糖的转化系数；0.087是组分测定时，酸水解液的总体积(L)；糖类浓度单位是g/L；质量单位是g。

得率＝预处理后重量/预处理前重量

酶解方法及媒介率计算

准确称量0.5g甘蔗渣基质放入100mL摇瓶中，加入25mL柠檬酸缓冲液(pH 4.8)，在酶载量5FPU/g干基条件下置于摇床(50℃、180r/min)中进行酶解，并在6、12、24、36，48，72h取样并检测样品中的糖浓度。

将取出来的酶解样品进行10min金属浴处理，然后离心，将上清液稀释至合适倍数后用生物传感仪测定其葡萄糖产量。其计算公式如下：

葡萄糖(g/L)＝(读数×稀释倍数)/100 (2-5)

表1预处理后木质纤维素的预处理量、化学成分、酶解率

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。