一種甘蔗渣的預處理方法
2023-04-25 21:24:16 3
專利名稱：一種甘蔗渣的預處理方法
技術領域：
本發明屬於微生物發酵工程領域，具體涉及一種甘蔗渣的預處理方法。
背景技術：
木質纖維素是地球上最豐富廉價的可再生資源，主要來源於農業廢棄物，工業廢棄物和城市廢棄物。隨著化石燃料的枯竭和環境的日益惡化，利用木質纖維素轉化燃料乙醇等能源產物廣受關注。甘蔗渣是甘蔗經機械壓榨、浸提後所得的部分，是甘蔗製糖工業的纖維素性殘渣副產物，約佔壓榨量的24%-27%。不完全統計，我國甘蔗渣年總產量達到700萬噸以上。雲南省是我國糖業優勢產區之一，甘蔗製糖是雲南省的重要支柱產業，近年來雲南食糖產量穩居全國第二位。甘蔗種植業和製糖工業在雲南省地方經濟中佔有重要的地位。2010-2011年，雲南甘蔗產量達1750.92 萬噸，甘蔗渣產量達437.73萬噸。如此大量的蔗渣如何處理和有效利用是一個不可忽視的社會和環境問題，目前除用於造紙之外，主要的處理方法是焚燒和作為飼料的原材料，利用效率很低，不但造成資源浪費，甚至會形成嚴重的環境汙染。蔗渣富含豐富的纖維素，利用它生產燃料乙醇被寄予厚望，其綜合利用受到國內外越來越廣泛的重視。蔗渣等木質纖維素結構複雜，主要由纖維素、半纖維素和木質素三部分構成。纖維素是由葡萄糖通過β -1, 4糖苷鍵聯接而成的高分子聚合物，以聚集態存在，含有大量的結晶區，並且分子間和分子內存在大量的氫鍵。半纖維素結構變化隨原材料的種類不同而不同，主要組成成分含有木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖和半乳糖等。圍繞在纖維素周圍，並通過纖維素的孔位深入到纖維素內部。有人認為它是纖維素和木質素之間的粘合劑。木質素是由類苯丙烷結構組成的複雜化合物，通過化學鍵和半纖維素連結，包圍並加固纖維素和半纖維素骨架。這樣的複雜結構特徵使得木質纖維素降解困難，微生物降解和轉化的能力受到了極大的限制。對其直接進行酶水解，水解效率低，不到理論值的20%，而經預處理之後水解率會有很大的提高。因此，利用蔗渣等木質纖維素材料實現乙醇等高附加值產品的轉化之前必須進行適當的預處理，改變其天然結構脫去木質素，增加原料的疏鬆程度，增加纖維素酶或微生物的有效接觸，有效的實現木質纖維素高附加值產品的轉化。目前，木質纖維素預處理的主要有物理法(粉碎，球磨等)，化學法(鹼，酸，氧化劑，有機溶劑處理等)，物理化學法(蒸汽爆破，超臨界流體，溼熱氧化處理等)和生物法(白腐真菌等可以降解木質素的微生物處理)。但是，依然存在成本高，效率低，汙染嚴重等技術瓶頸有待突破，需要進一步研究，降低預處理成本，提高預處理效率。目前大多文獻報導關於蔗渣NaOH或H2O2預處理在單獨溶液作用下處理，其中的H2O2溶液濃度較大，尤其是NaOH預處理大多在高溫高壓的條件下進行，設備成本要求高；會造成很大部分的纖維素脫除，浪費資源；產生的發酵抑制物含量多；經優化結合NaOH和H2O2混合溶液的蔗渣預處理的研究較少。本發明提供的預處理方法採用較低濃度的H2O2結合NaOH溶液在較低溫度下對蔗渣進行預處理，降低了整個預處理的成本，提高了纖維素的水解率。
發明內容
本發明的目的在於提供一種甘蔗渣的預處理方法，利用低濃度的NaOH溶液結合H2O2在低溫條件下對乾燥粉碎後的甘蔗渣進行預處理，從而改變原材料的天然特性，打破纖維素的結晶結構以及半纖維素和木質素對纖維素的包裹，改善甘蔗渣木質纖維素難降解的化學特性，促進纖維素酶和微生物對纖維素的有效接觸，實現甘蔗渣木質纖維素到乙醇等產品的高附加值轉化。
本發明通過以下步驟實現本發明目的:
(O甘蔗渣經乾燥、粉碎、篩分製得粒度在18 40目間的原料；
(2)將甘蔗渣加入到NaOH和H2O2的混合水溶液中，在25°C 42°C條件下，搖床中預處理12 36h，其中NaOH在混合水溶液中的終濃度為1°/Γ3%，H2O2在混合水溶液中的終濃度為
0.5% 1.5% ；
(3)將預處理後的甘蔗渣過濾，濾渣用55°C 65°C蒸餾水洗滌至濾液pH為6.5^7.5，600C 80°C乾燥至恆重，即得到預處理後甘蔗渣，備用；
(4)利用纖維素分析儀測定處理前後蔗渣的纖維素、半纖維素和木質素相對殘餘量，具體測定方法參照ANKOM Α200 纖維素分析儀生產廠家官方網站提供的使用說明書，結果計算:
半纖維素含量計算公式為:半纖維素(％) =NDF (%)-ADF(%)；
纖維素含量計算公式為:纖維素(％) =ADF (%)_72%硫酸洗滌殘渣質量(％)；
酸性洗滌木質素(ADL)含量計算公式為:ADL (%)=殘渣(％)-灰分(％)；
其中:DNF是指中性洗滌纖維素；ADF是指酸性洗滌纖維；ADL是指酸性洗滌木質素；
(5)對預處理蔗渣的發酵相關品質進行評價，包括纖維素、半纖維素和木質素的脫除率，商業纖維素酶「0N0ZUKA」 R-1O對蔗渣酶水解的酶解效率。預處理蔗渣的纖維素酶水解方法:每個反應體系中加入pH4.8 0.05M檸檬酸緩衝液4.8ml，稱取預處理後的乾燥蔗渣樣品0.1 g，加入0.2 mL的纖維素酶(Yakult.Co日本，Cellulase R-10，10mg/ml, 40FPU/g 底物)，在 50°C、150rpm 下搖床溫浴 48h，反應結束，4°C、12000rpm離心IOmin,取上清,用於還原糖的測定。其中pH4.8 0.05M檸檬酸緩衝液製備方法如下:
(1)0.1 mol/L檸檬酸溶液(A液):準確稱取檸檬酸(C6H8O7.H2O) 21.014 g於500 mL燒杯中，用少量蒸餾水溶解後，移入1000 mL容量瓶中用蒸餾水定容至1000 mL，充分混勻，4°C冰箱中保存備用；
(2)0.1 mol/L檸檬酸鈉溶液(B液):準確稱取檸檬酸三鈉(Na3C6H5O7CH2O) 29.4129 g於500 mL的燒杯中，用蒸餾水溶解後，移入1000 mL的容量瓶中蒸餾水定容至1000 mL，充分混勻，4°C冰箱中保存備用；
(3)取溶液A205 mL和溶液B 295 mL混勻，移入1000 mL容量瓶中用蒸餾水定容，混勻後即為0.05 mol/L pH 4.8的檸檬酸緩衝液，4°C冰箱中保存備用。酶解液中總還原糖量和纖維素水解率的測定:取酶解上清液0.2ml加入20ml帶刻度試管中，同時加入1.8ml蒸餾水和2ml DNS (3，5- 二硝基水楊酸)溶液，充分混勻後沸水浴5min,冷卻後用蒸懼水定容至20ml,混勻,在540nm處測定吸光值,通過標準曲線計算出相應的還原糖濃度(mg/ml)。總還原糖含量(mg)=(還原糖濃度測定值X5) /0.2 ；
底物糖化水解率(％)=總還原糖量X0.9 X 100% ；
纖維素水解率(％)=底物糖化水解率/纖維素含量百分比；
樣品中的葡萄糖和總還原糖含量的測定，首先需要製備葡萄糖的標準曲線，具體實施方法參照發明申請201110092717.X。本發明方法中所述蔗渣乾燥是在8(T90°C下乾燥48飛Oh。
本發明方法中所述甘蔗渣和混合水溶液的質量體積比(w/v)為1:15 1:25。本發明方法中搖床或攪拌預處理中旋轉速率是10(T200rpm。本發明相對於現有技術的優點和技術效果:目前對於蔗渣的預處理大多採用高溫高壓下的酸或鹼預處理，所需設備要求成本高。大多關於蔗渣NaOH或H2O2預處理是在單獨溶液作用下處理，其中的H2O2溶液濃度較大，尤其是NaOH預處理大多在高溫高壓的條件下進行，設備成本要求高；會造成原料中部分的纖維素脫除，浪費資源，資源利用率降低；產生的發酵抑制物含量多；經優化結合NaOH和H2O2混合溶液預處理蔗渣的研究較少。而本發明採用較低濃度NaOH和H2O2混合溶液對甘蔗渣進行預處理；整個蔗渣預處理過程在25-42°C之間進行，而且只需要簡單的搖床或攪拌即可，降低了預處理成本，改變半纖維素和木質素的含量，提高纖維素水解率；結果顯示:妨礙纖維素酶水解的主要組分木質素的最大脫除率達94.56%，半纖維素最大脫除率達78.18%，纖維素酶解率最高達到64.37%，相比未處理蔗渣原材料的酶解效率提高了 60%左右，相比現存預處理方法本發明方法具有還原糖得率高、酶解效率高和成本低的優勢。
圖1是本發明葡萄糖標準曲線；
圖2是本發明甘蔗渣處理後的纖維素、半纖維素和木質素相對含量和各組分的脫除率，圖中:1、2、3、4分別表示實施例1、2、3、4的結果；
圖3是本發明中甘蔗渣處理後的總還原糖量和纖維素水解率，圖中:1、2、3、4分別表示實施例1、2、3、4的結果。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明保護範圍不局限於所述內容。實施例1:甘蔗渣的預處理方法，具體操作如下:
(1)將40g甘蔗渣在80°C乾燥48h後、粉碎、篩分製得粒度在18-40目間的原料；
(2)將甘蔗渣加入NaOH和H2O2的混合水溶液中，在42°C下，150rpm搖床預處理24h，其中NaOH在混合水溶液中的終濃度為1.0%，H202在混合水溶液中的終濃度為1.0%，混合水溶液和甘蔗渣的質量體積(w/v)比15:1 ；
(3)將預處理後的甘蔗渣過濾，濾渣用65°C蒸餾水洗滌至濾液為7.0，60°C乾燥至恆重，即得到預處理後甘蔗渣，備用。
將乾燥、粉碎、篩分後的未處理的甘蔗渣和預處理之後的蔗渣樣品置於80°C乾燥至恆重，按照ANKOM Α200 纖維分析儀生產廠家提供的產品使用說明書對材料進行纖維素、半纖維素和木質素含量的測定，預處理的目的在於破壞原材料的結構，打破半纖維素和木質素對纖維素的包裹，提高材料中纖維素的可及度。經檢測，未處理過的蔗渣原材料中纖維素、半纖維素和木質素的相對含量分別為52.41%,30.81%和9.15%，經預處理後蔗渣材料的纖維素、半纖維素和木質素相對含量分別為82.30%、13.10%和1.43%，相應的各組分的脫除率分別為3.56%,73.89%和90.38% (見圖2中I )，半纖維素和木質素的脫除明顯。(4)本實施例利用商業纖維素酶「0N0ZUKA」 R-1O對蔗渣進行酶水解,測定預處理後材料中的總還原糖量，計算纖維素水解率，用於評價預處理效果，採用常規方法製得葡萄糖的標準曲線，結果見圖1，測定總還原糖量的操作步驟如下:
每個反應體系中加入pH4.8 0.05M檸檬酸緩衝液4.8ml，稱取預處理後的乾燥蔗渣樣品 0.1 8，加入0 .2 mL 的纖維素酶(Yakult.Co 日本，Cellulase R-10，40FPU/g 底物)，在500C、150rpm下搖床溫浴48h，反應結束，4°C，12000rpm離心lOmin，取酶解上清液0.2ml加入20ml帶刻度試管中，同時加入1.8ml蒸餾水和2ml DNS溶液，充分混勻後沸水浴5min，冷卻後用蒸餾水定容至20ml，混勻，在540nm處測定吸光值。通過葡萄糖標準曲線計算得知,未處理蔗渣原材料的總還原糖量2.08mg,纖維素水解率為3.70%,而經預處理後材料的還原糖量50.04mg，酶水解效率為60.18%(見圖3中I )，相比未處理原材料纖維素水解率提高了 56.48%。從此結果可得出本發明方法可改善蔗渣纖維素的酶解效率，所得材料可實現木質纖維素生物質的高附加值產品轉化。實施例2:甘蔗渣的預處理方法，具體操作如下:
(1)將40g甘蔗渣在90°C乾燥54h後、粉碎、篩分製得粒度在18-40目間的原料；
(2)將蔗渣加入NaOH和H2O2的混合水溶液加入甘蔗渣中，在30°C下，IOOrpm搖床預處理12h，其中NaOH在混合水溶液中的終濃度為3.0%，H2O2在混合水溶液中的終濃度為1.0%，混合水溶液和甘蔗渣的質量比為20:1 ;
(3)將預處理後的甘蔗渣過濾、濾渣用60°C蒸餾水洗滌至濾液為6.5，75°C乾燥至恆重，即得到預處理後甘蔗渣，備用。按實施例1檢測方法檢測:未處理過的蔗渣原材料中纖維素、半纖維素和木質素的相對含量分別為52.41%,30.81%和9.15%，經預處理後蔗渣材料的纖維素、半纖維素和木質素相對含量分別為75.28%、18.47%和1.75%，相應的各組分的脫除率分別為5.28%、56.05%和85.98%(見圖2中2)，包裹纖維素的半纖維素和木質素的脫除明顯。纖維素酶水解率為60.39%，相比未處理蔗渣原材料的酶解效率提高了 56.69% (見圖3中2)，從此結果可得出本發明方法可改善蔗渣纖維素的酶解效率，所得材料可實現木質纖維素生物質的高附加值產品轉化，且本發明預處理成本較低，在整個預處理應用中存在優勢。實施例3:甘蔗渣的預處理方法，具體操作如下:
(1)將40g甘蔗渣在85°C乾燥60h後、粉碎、篩分製得粒度在18-40目間的原料；
(2)將蔗渣加入NaOH和H2O2的混合水溶液加入甘蔗渣中，在35°C下，200rpm搖床預處理36h，其中NaOH在混合水溶液中的終濃度為1.0%，H2O2在混合水溶液中的終濃度為1.5%，混合水溶液和甘蔗渣的質量比為20:1 ;(3)將預處理後的甘蔗渣過濾，濾渣用65°C蒸餾水洗滌至濾液為中性，70°C乾燥至恆重，即得到預處理後甘蔗渣，備用。經按照實施例1檢測方法檢測:未處理過的蔗渣原材料中纖維素、半纖維素和木質素的相對含量分別為52.41%,30.81%和9.15%，經預處理後蔗渣材料的纖維素、半纖維素和木質素相對含量分別為83.66%、11.52%和1.12%，相應的各組分的脫除率分別為
5.75%,77.92%和92.75%(見圖2中3)，各組分的脫除率較實施例1和2的各組分脫除率均有所升高，包裹纖維素的半纖維素和木質素的脫除明顯。相比Silverstei等研究用H2S04、Na0H、H202和034種預處理，結果表明，NaOH預處理(2%Na0H, 90min, 121 °C )的木質素脫除率為65%，高出27%。纖維素酶水解率為60.17% (見圖3中3)，比未處理蔗渣原材料的酶解效率提高了 56.47%，從此結果可得出本發明方法可改善蔗渣纖維素的酶解效率，所得材料可實現木質纖維素生物質的高附加值產品轉化。實施例4:甘蔗渣的預 處理方法，具體操作如下:
(1)將40g甘蔗渣在90°C乾燥60h後、粉碎、篩分製得粒度在18-40目間的原料；
(2)將蔗渣加入NaOH和H2O2的混合水溶液加入甘蔗渣中，在25°C下，120rpm搖床預處理30h，其中NaOH在混合水溶液中的終濃度為2.0%，H2O2在混合水溶液中的終濃度為0.5%，混合水溶液和甘蔗渣的質量比為25:1 ;
(3)將預處理後的甘蔗渣過濾，濾渣用55°C蒸餾水洗滌至濾液為7.5，80°C乾燥至恆重，即得到預處理後甘蔗渣，備用。經按照實施例1檢測方法檢測:未處理過的蔗渣原材料中纖維素、半纖維素和木質素的相對含量分別為52.41%,30.81%和9.15%，經預處理後蔗渣材料的纖維素、半纖維素和木質素相對含量分別為84.43%、11.55%和1.01%，相應的各組分的脫除率分別為
6.23%,78.18%和93.58%(見圖2中4)，包裹纖維素的半纖維素和木質素的脫除明顯。測得總還原糖量為60.38mg，纖維素酶水解率為64.37% (見圖3中4)，相比未處理蔗渣原材料的酶解效率提高了 60.67%，從此結果可得出本發明方法可顯著提高蔗渣的木質纖維素水解率，改善其水解效果，且條件溫和，處理成本低，可應用於蔗渣等木質纖維素材料的預處理研究中，實現它們到生物乙醇等高附加值產品的轉化。以上僅為本發明的具體實施例，並不以此限定本發明的保護範圍，在不違反本發明的構思的基礎上所作的任何替換與改進，均屬本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種甘蔗渣的預處理方法，其特徵在於包括以下的工藝步驟: (O甘蔗渣經乾燥、粉碎、篩分製得粒度在18 40目間的原料； (2)將甘蔗渣加入到NaOH和H2O2的混合水溶液中，在25°C 42°C條件下，搖床或攪拌預處理12 36h，其中NaOH在混合水溶液中的終濃度為1°/Γ3%，H2O2在混合水溶液中的終濃度為0.5% 1.5% ； (3)將預處理後的甘蔗渣過濾，濾渣用55°C 65°C蒸餾水洗滌至濾液pH為6.5^7.5，600C 80°C乾燥至恆重，即得到預處理後甘蔗渣，備用。
2.根據權利要求1所述的甘蔗渣預處理方法，其特徵在於:步驟(I)所述的蔗渣乾燥是在8(T90°C下乾燥48 60h。
3.根據權利要求1所述的甘蔗渣預處理方法，其特徵在於:步驟(2)所述的甘蔗渣和混合水溶液的質量體積比為1:15 1:25。
4.根據權利要求1所述的甘蔗渣預處理方法，其特徵在於:搖床或攪拌預處理中旋轉速率是 100~200rpm。 ·
全文摘要
本發明公開了一種甘蔗渣的預處理方法，該方法將甘蔗渣乾燥，粉碎，篩分後，用氫氧化鈉和雙氧水對甘蔗渣進行預處理，即得到預處理後甘蔗渣，經該方法預處理後的甘蔗渣材料半纖維素和木質素的最大脫除率分別達到78.18%和94.56%，纖維素最高酶水解率為64.37%，相比未處理蔗渣原材料的酶解效率提高了60.67%。由此可見，該方法打破了半纖維素和木質素對纖維素的包裹，提高了纖維素水解率，改善了蔗渣的抗酶解特性，所得到的蔗渣材料被酶解後可用於微生物發酵轉化乙醇等高附加值產品，實現蔗渣等生物質資源的有效利用。
文檔編號C12P19/14GK103205473SQ20131013115
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者伊日布斯, 魏治鐳 申請人:昆明理工大學