一種提高秸稈纖維素糖化速率的預處理方法與流程
2023-05-24 10:02:01
本發明公開一種預處理方法，涉及酶解糖化處理領域，具體地說是一種提高秸稈纖維素糖化速率的預處理方法。
背景技術：
中國農民對作物秸稈的利用有悠久的歷史，只由於從前農業生產水平低、產量低，秸稈數量少，秸稈除少量用於墊圈、餵養牲畜，部分用於堆漚肥外，大部分都作燃料燒掉了。隨著農業生產的發展，中國自20世紀80年代以來，糧食產量大幅提高，秸稈數量也多，加之省柴節煤技術的推廣，燒煤和使用液化氣的普及，使農村中有大量富餘秸稈。秸稈綜合利用是指將農作物秸稈重新利用起來，變廢為寶。近年來，農作物秸稈成為農村面源汙染的新源頭。每年夏收和秋冬之際，總有大量的小麥、玉米等秸稈在田間焚燒，產生了大量濃重的煙霧，不僅汙染農村環境，甚至成為殃及城市環境的罪魁禍首。據有關統計，我國作為農業大國，每年可生成7億多噸秸稈，成為用處不大但必須處理掉的廢棄物。
纖維素是秸稈含量最多且最主要成分。作為廢棄物中資源最豐富、價格低廉的可再生資源，纖維素具有可再生性和生物可降解性，可以作為發酵糖的重要來源用於生物質能生產和製備其他化工產品，代替不可再生的化石資源。同時，纖維素是由葡萄糖通過糖苷鍵形成的大分子多糖，且通過氫鍵作用形成一定型態的晶體結構，不溶於水及一般有機溶劑，常態下性質穩定，不易發生水解。常用的纖維素水解方法包括酸水解、熱解和酶水解方式。纖維素在酸性介質中極易發生水解作用，但存在腐蝕設備、酸回收困難、抑制後續發酵等問題。熱解也是促使纖維素水解的有效方式，但熱解過程中產生的還原糖可進一步轉化為糠醛及其衍生物，對酵母生長具有抑制作用，影響發酵過程。纖維素酶解是利用生物酶，即纖維素酶降低纖維素聚合度，實現其降解產生還原糖的一種水解方法，但天然纖維素都具有相同的晶體結構，在生物進化過程中形成的該種晶型構造對纖維素酶解具有一定的生物抗性，從而抑制酶解轉化。
而公開號為cn106318996a的中國專利介紹了一種提高闊葉木原料纖維素酶解糖化率的預處理方法。提出超聲化學法預處理闊葉木物料，利用naoh、h2o2結合超聲處理破壞植物細胞壁的緻密結構，脫除細胞壁中的木質素，暴露原料中的纖維素，提高其可及度，實現酶解糖化效率的提升。本發明採用物理化學方法預處理闊葉木物料促進了細胞壁中纖維素的酶解溶出，但木質素脫除不完全，殘留木質素影響纖維素酶的催化作用，限制了纖維素水解糖化率。
而公開號為cn106318996a的中國專利介紹了利用聚乙烯毗咯烷酮（pvp）提高木質纖維素酶解糖化得率的方法。將木質纖維素加入到緩衝溶液中配置成酶解液，再加入pvp和纖維素酶。本發明以非離子表面活性劑pvp為糖化促進劑，其來源便利，價格低廉，比其他糖化促進劑效果優宜，能顯著提高纖維素的酶解糖化效率。然而，酶解糖化液中殘存的pvp對後續發酵的影響仍有待於進一步研究。
而公開號為cn105734095a的中國專利介紹了一種提高纖維素酶解的方法。通過向纖維素酶解液中加入1-十六烷基吡啶氯鹽和1，2-丙二醇來提高還原糖產率，本發明擴大了表面活性劑酶解應用的範圍，操作過程較為簡單，無環境汙染，為提高纖維素酶解效率提供了一種安全生產工藝。但耗用成本較高，具有應用局限性。
針對上述缺陷，本發明提供一種提高秸稈纖維素糖化速率的預處理方法，選用常見的廢棄的秸稈為前驅體，經過溶解，重生，酶解過程，改變纖維素的天然晶體結構，消除其對纖維素酶的生物抗性，利用簡單操作工藝，省時節能、高效易產業化的方法實現秸稈纖維素酶解糖化，快速酶解成還原糖，不僅提高酶解效率，還具有對纖維素的能源化、資源化利用的重要現實意義。
技術實現要素：
本發明提供一種提高秸稈纖維素糖化速率的預處理方法，所採用的技術方案為：
一種提高秸稈纖維素糖化速率的預處理方法，將質量分數為3%-8%的氫氧化鈉、5%-10%尿素、5%-10%的硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；混合液預冷至負20℃至負10℃，溶解麥草燒鹼漿，所得溶液的纖維素質量濃度為3%-8%，所得溶液經去離子水稀釋，析出溶解的纖維素，將纖維素離心分離，水洗至中性，乾燥後得重生纖維素；將重生纖維素加入到ph值為4-6的緩衝液中，至纖維素的質量濃度為1%-10%，再加入用量為10-50fpu/g的纖維素酶，在30℃-50℃下酶解10-20小時，得到纖維素酶解液。
所述的方法中ph值為4-6的緩衝液是乙酸-乙酸鈉緩衝液或檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液或磷酸緩衝液。
所述的方法中將質量分數為4%-7%的氫氧化鈉、6%-8%尿素、6%-9%的硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液。
所述的方法中預冷至負15℃至負10℃的氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液，溶解麥草燒鹼漿，所得溶液的纖維素質量濃度為3%-8%。
所述的方法中纖維素酶用量為25-35fpu/g基質。
所述的方法中重生纖維素和纖維素酶在緩衝液中，35℃-45℃條件下進行酶解15-20小時，得到纖維素酶解液。
所述的方法中將纖維素在3000-8000rpm/min轉速下離心分離。
所述的方法中將水洗至中性的纖維素利用風乾或烘箱乾燥或真空乾燥中一種或幾種組合的方式進行乾燥，得到重生纖維素。
一種重生纖維素，由以下製備方法得到：將質量分數為3%-8%的氫氧化鈉、5%-10%尿素、5%-10%的硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；混合液預冷至負20℃至負10℃，溶解麥草燒鹼漿，所得溶液的纖維素質量濃度為3%-8%，所得溶液經去離子水稀釋，析出溶解的纖維素，將纖維素離心分離，水洗至中性，乾燥後得重生纖維素。
所述的重生纖維素的製備方法中將預冷至負15℃至負10℃的氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液，溶解麥草燒鹼漿，所得溶液的纖維素質量濃度為3%-8%。
本發明的有益效果為：
本發明提供提一種高秸稈纖維素糖化速率的預處理方法，選用常見的廢棄秸稈為原料，原料豐富，產量充足有保障，廢物再利用，原料成本低，節能降耗，其中鹼-尿素-硫脲還可回收利用；
而本發明工藝簡單，經過溶解，重生，酶解過程，改變纖維素的天然晶體結構，消除其對纖維素酶的生物抗性，利用簡單操作，省時節能、高效易產業化的方法實現木材纖維素酶解糖化，快速酶解成還原糖，不僅提高酶解效率，還具有對纖維素的能源化、資源化利用的重要現實意義。
附圖說明
圖1本發明方法流程圖；
圖2實施例1至實施例5的重生纖維素與天然纖維素的紅外光譜示意圖。
具體實施方式
本發明提供一種提高秸稈纖維素糖化速率的預處理方法，將質量分數為3%-8%的氫氧化鈉、5%-10%尿素、5%-10%的硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；混合液預冷至負20℃至負10℃，溶解麥草燒鹼漿，所得溶液的纖維素質量濃度為3%-8%，所得溶液經去離子水稀釋，析出溶解的纖維素，將纖維素離心分離，水洗至中性，乾燥後得重生纖維素；將重生纖維素加入到ph值為4-6的緩衝液中，至纖維素的質量濃度為1%-10%，再加入用量為10-50fpu/g的纖維素酶，在30℃-50℃下酶解10-20小時，得到纖維素酶解液。
同時提供一種重生纖維素，由以下製備方法得到：將質量分數為3%-8%的氫氧化鈉、5%-10%尿素、5%-10%的硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；混合液預冷至負20℃至負10℃，溶解麥草燒鹼漿，所得溶液的纖維素質量濃度為3%-8%，所得溶液經去離子水稀釋，析出溶解的纖維素，將纖維素離心分離，水洗至中性，乾燥後得重生纖維素。
參照說明書附圖對本發明作以下說明：
實施例1：
製備質量分數為4%的氫氧化鈉、6%尿素和、5%硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；將其混合液預冷至-10℃，來溶解麥草燒鹼漿，製得質量分數為3%的秸稈纖維素溶液，所得溶液加水稀釋，析出80%溶解的纖維素，在3000rpm/min轉速下離心2次分離纖維素，水洗至ph值7.2，風乾後得到淺黃色，纖維狀的再生纖維素；將再生纖維素加入到ph值為4.5的乙酸-乙酸鈉緩衝液中，至質量濃度為10%，再加入纖維素酶，酶用量為10fpu/g，在30℃下酶解10小時，得到含有大量還原糖的纖維素酶解液，測得纖維素糖化率為68.5%；
設立對照樣，使用相同纖維素酶用量10fpu/g，10%的相同纖維素濃度，用天然纖維素在相同條件下：30℃下酶解10小時，使用相同方法測得纖維素酶解液的糖化率為38.3%，則比對照樣提高了178.9%。
實施例2：
取質量分數為8%的氫氧化鈉10%尿素和10%硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；將其混合液預冷至-20℃，來溶解麥草燒鹼漿，製得質量分數為5%的秸稈纖維素溶液；加水稀釋，析出90%溶解的纖維素，在4000rpm/min轉速下離心分離纖維素，水洗至ph值7.0，烘箱乾燥後得到淺黃色，纖維狀的再生纖維素；將再生纖維素加入到ph值為5.5的乙酸-乙酸鈉緩衝液中，至質量濃度為3%，再加入纖維素酶，酶用量為30fpu/g，在40℃下酶解20小時，得到含有大量還原糖的纖維素酶解液，測得纖維素糖化率為94.1%；
設立對照樣，使用相同纖維素酶用量30fpu/g，3%的相同纖維素濃度，用天然纖維素在相同條件下：40℃下酶解20小時，使用相同方法測得纖維素酶解液的糖化率為51.6%，則比對照樣提高了182.3%。
實施例3：
取質量分數為7%的氫氧化鈉8%尿素和8%硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；將其混合液預冷至-12℃，來溶解麥草燒鹼漿製得質量分數為5%的秸稈纖維素溶液；加水稀釋，析出90%溶解的纖維素，在5000rpm/min轉速下離心分離纖維素，水洗至ph值7.1，先風乾再烘箱乾燥後得到淺黃色，纖維狀的再生纖維素；將再生纖維素加入到ph值為6.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液中，至質量濃度為5%，再加入纖維素酶，酶用量為35fpu/g，在50℃下酶解15小時，得到含有大量還原糖的纖維素酶解液，纖維素糖化率為92.4%；
設立對照樣，使用相同纖維素酶用量35fpu/g，5%的相同纖維素濃度，用天然纖維素在相同條件下：50℃下酶解15小時，使用相同方法測得纖維素酶解液的糖化率為49.5%，則比對照樣提高了186.7%。
實施例4：
取質量分數為6%的氫氧化鈉7%尿素和9%硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；將其混合液預冷至-15℃，來溶解麥草燒鹼漿製得質量分數為8%的秸稈纖維素溶液；加水稀釋，析出70%溶解的纖維素，在7000rpm/min轉速下離心分離纖維素，水洗至ph值7.2，真空乾燥後得到淺黃色，纖維狀的再生纖維素；將再生纖維素加入到ph值為5的磷酸緩衝液中，至質量濃度為6%，再加入纖維素酶，酶用量為25fpu/g，在45℃下酶解12小時，得到含有大量還原糖的纖維素酶解液，測得纖維素糖化率為81.5%，
設立對照樣，使用相同纖維素酶用量25fpu/g，6%的相同纖維素濃度，用天然纖維素在相同條件下：45℃下酶解12小時，使用相同方法測得纖維素酶解液的糖化率為51.5%，則比對照樣提高了158.1%。
實施例5：
取質量分數為3%的氫氧化鈉5%尿素和6%硫脲溶解於去離子水中，得到氫氧化鈉-尿素-硫脲混合液；將其混合液預冷至-13℃，來溶解麥草燒鹼漿製得質量分數為8%的秸稈纖維素溶液；加水稀釋，析出90%溶解的纖維素，在8000rpm/min轉速下離心分離纖維素，水洗至ph值7.1，烘箱乾燥後得到淺黃色，纖維狀的再生纖維素；將再生纖維素加入到ph值為4的檸檬酸-檸檬酸鈉緩衝液中，至質量濃度為4%，再加入纖維素酶，酶用量為50fpu/g，在35℃下酶解18小時，得到富含還原糖的纖維素酶解液，纖維素糖化率為84.6%；
設立對照樣，使用相同纖維素酶用量50fpu/g，4%的相同纖維素濃度，用天然纖維素在相同條件下：35℃下酶解18小時，使用相同方法測得纖維素酶解液的糖化率為49.4%，則比對照樣提高了171.2%。
上述實施例所得的重生纖維素樣品與天然纖維素經紅外光譜測量，參見附圖2，從圖中可以看出，5種重生纖維素的光譜圖基本相似，而天然纖維素和重生纖維素之間的光譜吸收峰存在較為明顯的差異，但各峰出現的波數基本相近，說明纖維素在溶解過程中沒有發生衍生化作用。天然纖維素光譜中1429cm-1處的吸收峰表示ch2-oh的伸縮振動，重生纖維素在此處的吸收峰發生鈍化，意味著在溶解過程中，分子內氫鍵發生斷裂，而ch2-oh發生tg到gt的構象轉變，並形成新的分子內氫鍵。天然纖維素在1372cm-1處的峰為ch的彎曲振動，重生纖維素在該峰也發生鈍化。天然纖維素在893cm-1處的峰是β-d-葡萄糖苷鍵的特徵吸收，此處吸收在重生纖維素中發生衰減，並衍生出2個小峰。從重生纖維素與天然纖維素紅外光譜差異來看，纖維素在溶解過程中發生了晶體結構轉變。
本文中未提及的實驗條件均為現有的實驗常規條件，未提及的實施工具均為現有的實施工具或常規可以使用的實施工具，實施材料沒有特別說明時，相同名稱的實驗材料均為完全相同的實驗材料，比如作為對照樣品的天然纖維素，在每個實施例中均為相同的天然纖維素，作為與所得重生纖維素進行紅外光譜對照時使用的天然纖維素與每個實施例中使用的天然纖維素也是相同的。