阅读说明：本技术 木质纤维素的预处理方法以及其在提高木质纤维素酶解效率中的应用 (Pretreatment method of lignocellulose and application thereof in improving lignocellulose enzymolysis efficiency ) 是由 尚亚平 贾文 于 2018-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种木质纤维素的预处理方法以及其在提高木质纤维素酶解效率中的应用,木质纤维素的预处理方法包括以下步骤：将木质纤维素进行机械粉碎,在室温20～25℃放置至少24小时晾干,过筛,得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒,将所述木质纤维素颗粒放入pH<2.5的无机盐溶液中并于100～160℃保温0.5～3h,得到固液混合物,将固液混合物进行固液分离,得到固体,将所述固体洗涤至中性,洗涤后干燥至少24h,得到预处理后木质纤维素,其中,所述无机盐溶液中无机盐的浓度为0.01～2mol/L。本发明预处理方法所使用的无机盐用量很少,成本降低,节约资源；水洗后金属离子残留量较小,对后续酶解过程的抑制作用较小。本发明预处理方法需采用耐腐蚀设备,常压下即可操作。(The invention discloses a pretreatment method of lignocellulose and application thereof in improving lignocellulose enzymolysis efficiency, wherein the pretreatment method of the lignocellulose comprises the following steps: mechanically crushing lignocellulose, placing the lignocellulose particles at room temperature of 20-25 ℃ for at least 24 hours, airing, sieving to obtain lignocellulose particles with the particle size of 0.18-0.85mm, placing the lignocellulose particles into an inorganic salt solution with the pH of less than 2.5, preserving the heat at 100-160 ℃ for 0.5-3 hours to obtain a solid-liquid mixture, carrying out solid-liquid separation on the solid-liquid mixture to obtain a solid, washing the solid to be neutral, and drying for at least 24 hours after washing to obtain pretreated lignocellulose, wherein the concentration of inorganic salts in the inorganic salt solution is 0.01-2 mol/L. The pretreatment method of the invention uses little inorganic salt, reduces the cost and saves the resources; the residual quantity of metal ions after washing is small, and the inhibition effect on the subsequent enzymolysis process is small. The pretreatment method of the invention needs to adopt corrosion-resistant equipment and can be operated under normal pressure.)

木质纤维素的预处理方法以及其在提高木质纤维素酶解效率 中的应用

技术领域

本发明属于纤维素乙醇技术领域，具体来说涉及一种木质纤维素的预处理方法以及其在提高木质纤维素酶解效率中的应用。

背景技术

近年来，利用木质纤维素转化为液态燃料、平台化学品和特殊化学材料已成为国际热门课题。通过集成化生物或化学催化转化技术将木质纤维素转化为各种糖类后，经糖平台技术转化为燃料乙醇等液体燃油和高附加值平台化学品(5-羟甲基糠醛、呋喃、乙酰丙酸等)，进一步加工可制得精制化学品、聚合物以及其他能源物质。

通常，木质纤维素的生物催化转化过程主要包括以下四步：预处理、水解、发酵和产物回收。为了增加木质纤维素生物转化的效率，要选择适宜的预处理工艺降低其生物质顽抗性(顽抗性主要源于由交叉连链接的多聚体网络、糖蛋白和木质素组成植物细胞壁的结构)，改变底物的物理结构和化学组成，增大底物可及性表面积，提高后续水解过程中的酶水解反应速率和酶解转化率。木质纤维素的预处理方法包括机械法、物理化学法及生物法等。研究表明，强酸弱碱盐预处理可一定程度强化预处理效果，但需要较高的金属离子浓度，这一方面导致了预处理成本的提高、预处理后物料洗涤的成本增加，另一方面残留的金属离子还将对预处理后底物的酶解过程产生抑制作用，因此需要寻找一种减少无机盐用量，同时能达理想预处理效果的预处理方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种木质纤维素的预处理方法，其所得预处理后木质纤维素适宜进行高固浓度酶解发酵，得到较高乙醇浓度，降低精馏成本。

本发明的另一目的是提供一种上述预处理方法所得预处理后木质纤维素在提高木质纤维素酶解效率中的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种木质纤维素的预处理方法，包括以下步骤：

将木质纤维素进行机械粉碎，在室温20～25℃放置至少24小时晾干，过筛，得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒，将所述木质纤维素颗粒放入pH<2.5的无机盐溶液中并于100～160℃保温0.5～3h，得到固液混合物，将固液混合物进行固液分离，得到固体，将所述固体洗涤至中性，洗涤后干燥至少24h，得到预处理后木质纤维素，其中，所述无机盐溶液中无机盐的浓度为0.01～2mol/L。

在上述技术方案中，所述无机盐溶液中的无机盐为强酸弱碱盐。

在上述技术方案中，所述强酸弱碱盐为三价的铁盐、铝盐、铜盐或镁盐，优选为三价的铁盐和铝盐。

在上述技术方案中，通过加入与所述无机盐溶液中无机盐同酸根的酸性溶液，以使所述无机盐溶液的pH<2.5。

在上述技术方案中，所述无机盐溶液的pH为pH 1～2，优选为pH小于等于1。

在上述技术方案中，所述粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒的质量份数与所述无机盐溶液的体积份数的比为1：(4～10)，其中，所述质量份数的单位为g，所述体积份数的单位为mL。

在上述技术方案中，所述干燥的温度为50-80℃。

在上述技术方案中，所述木质纤维素为玉米芯。

在上述技术方案中，所述无机盐溶液中无机盐的浓度为0.01～1mol/L，优选为0.01～0.1mol/L。

上述预处理方法所得预处理后木质纤维素。

一种木质纤维素的酶解方法，包括以下步骤：

将所述预处理后木质纤维素、纤维素酶和缓冲溶液均匀混合，再于40～55℃、100～200rpm的摇床中酶解24～96h，所述预处理后木质纤维素的质量份数、所述缓冲溶液的体积份数和纤维素酶的体积份数的比为1:(1～100)：(0.1-0.5)，其中，所述质量份数的单位为g，所述体积份数的单位为mL。

在上述技术方案中，所述缓冲溶液为柠檬酸钠缓冲溶液或柠檬酸缓冲溶液。

在上述技术方案中，所述缓冲溶液的浓度为0.5～1mol/L。

在上述技术方案中，所述预处理后木质纤维素的质量份数与所述缓冲溶液的体积份数的比为1:(3～50)，优选为1:(5～20)。

在上述技术方案中，所述缓冲溶液的pH为4.0～5.5。

上述预处理方法所得预处理后木质纤维素在提高木质纤维素酶解效率中的应用。

在上述技术方案中，所述木质纤维素酶解成葡萄糖的酶解率高达91％。

上述酶解方法在提高木质纤维素酶解效率中的应用。

在上述技术方案中，所述木质纤维素酶解成葡萄糖的酶解率高达91％。

相比于现有技术，本发明的有益技术效果如下：

本发明预处理方法所使用的无机盐用量很少，成本降低，节约资源；水洗后金属离子残留量较小，对后续酶解过程的抑制作用较小。本发明预处理方法需采用耐腐蚀设备，常压下即可操作。

无机盐中的金属离子在酸性环境下促进木质纤维素中半纤维素的降解，使预处理后木质纤维素酶解效率显著提高，尤其在高固体浓度下表现更佳。本发明提供的预处理后木质纤维素以高固浓度酶解后，葡萄糖得率(酶解率)高达91％。而稀酸预处理的木质纤维素酶解后葡萄糖得率约为73％，即经稀酸调节无机盐溶液的pH后，预处理底物较未调节之前的酶解后葡萄糖转化率提升50％～80％(具体数值与pH值有关)。

具体实施方式

在下述实施例中，木质纤维素采用玉米芯。

过滤采用减压过滤法。

本发明所述预处理方法对木质纤维素的种类没有特殊要求，采用本领域的技术人员熟知的，经济性较高的木质纤维素原料即可，如农作物秸秆、园艺废弃物等。在本发明的实施例中，所述木质纤维素为玉米芯,采购自天津宝坻农场。

本发明在将木质纤维素原料预处理时，将木质纤维素原料进行粉碎，优选的木质纤维素原料粒径为0.18-0.85mm。本发明对粉碎方法没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的粉碎技术方案即可，本实施例是将玉米芯置于粉碎机中进行粉碎，粉碎机型号为科宏发9FC-K23。

本发明中，不同浓度的无机盐溶液的pH不同，利用同酸根的酸将溶液的酸碱度调节至目标pH，无机盐溶液的优选为pH<2.5，更优选的pH<2。pH值越小，预处理的组分分离效果越好，但预处理后水洗过程的水消耗量越高。本实施例中的无机盐等化学品均为分析纯，来自天津光复化学试剂公司。测量溶液的pH采用雷磁PHS-3E型pH计。

本发明将粉碎好的木质纤维素浸入特定pH的无机盐溶液进行加热预处理，木质纤维素颗粒的质量和调节pH值后无机盐溶液体积之比为1g：(4～10)ml，只需保证木质纤维素原料被充分润湿即可。

本发明将粉碎好的木质纤维素浸入特定pH的无机盐溶液进行加热预处理，反应设备需为耐腐蚀的反应设备，本实施例中所选为螺口瓶。优选的预处理温度为100～160℃，优选的加热时间为0.5～3h，反应温度过高、加热时间过长将导致呋喃、糠醛等酶解抑制剂的生成。

本发明将木质纤维素颗粒浸入特定pH的无机盐溶液进行加热预处理后，需对固体部分洗涤，洗涤次数没有限制，洗涤至溶液呈中性即可。洗涤后将固体进行加热干燥，优选的干燥温度为50～80℃，干燥时间没有特殊限制，得到固体物料即可。

将按照上述预处理方法得到预处理后木质纤维素进行酶解反应，还提供了一种木质纤维素的酶解方法，包括以下步骤：

将预处理后木质纤维素与纤维素酶和缓冲溶液进行混合后进行酶解。

本发明将预处理后木质纤维素与纤维素酶和缓冲溶液进行混合得到混合物料，本发明对纤维素酶的来源和种类不做特殊限制，采用技术人员熟知的市售复合纤维素酶产品即可，如可以采用Genencor(杰能科)生产的纤维素酶GC220等。

本发明中，预处理后木质纤维素的质量与所述缓冲溶液的体积之比优选为1g：(1～100)mL，更优选的为1g：(3～50)mL，最优选的为1g：(5～20)mL，在本实施例中为1g：10ml。本发明所述的缓冲溶液为柠檬酸/柠檬酸钠缓冲溶液，优选的缓冲溶液的pH为4.0～5.5。

本发明中，所述预处理后木质纤维素的质量与所述纤维素酶的体积比优选的为1g：(0.1-0.5)ml。

得到混合物料后，本发明将预处理后木质纤维素进行酶解，对所述酶解的设备没有特殊限制，本实施例采用水浴摇床，型号为德国Julabo公司SW22。摇床转速优选为100rpm～200rpm，本实施例选用转速为120rpm或者150rpm。酶解温度优选的为40～55℃。优选的酶解时间为24h-96h。测量溶液中葡萄糖的浓度，计算葡萄糖得率(即酶解率)。葡萄糖浓度的测定采用高效液相色谱法，本实施例中的高效液相色谱(HPLC)系统包括SeriesⅢ分析泵，Laballiance色谱工作站，采用美国Bio-Rad公司的HPX-87H色谱柱，大连依利特分析仪器有限公司的示差折光检测器。

本发明中葡萄糖得率计算方法如下：

葡萄糖得率(酶解率)＝葡萄糖生产量(g)*0.9*100％÷预处理后木质纤维素中纤维素的质量(g)

葡萄糖得率＝葡萄糖生产量(g)*0.9*100％÷对比木质纤维素中纤维素的质量(g)

其中，预处理后木质纤维素/对比木质纤维素中纤维素的质量测定方法，参照美国国家可再生能源实验室(NREL)方法(张红漫,郑荣平,陈敬文,黄和.NREL法测定木质纤维素原料组分的含量[J].分析试验室,2010,29(11):15-18.)进行检测。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种木质纤维素的预处理方法，包括以下步骤：

将木质纤维素进行机械粉碎，在室温20～25℃放置48小时晾干，过筛，得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒，在螺口瓶中，将木质纤维素颗粒放入pH＝1的无机盐溶液中并于110℃保温1h，得到固液混合物，通过过滤将固液混合物进行固液分离，得到固体，用水将固体洗涤至中性，洗涤后于60℃干燥24h，得到预处理后木质纤维素，其中，无机盐溶液中无机盐的浓度为0.05mol/L，无机盐溶液中的无机盐为FeCl₃，无机盐溶液的pH通过加入HCl溶液实现调节(无机盐溶液原始pH＝2.3)。

木质纤维素颗粒的质量份数与无机盐溶液的体积份数的比为1：5，其中，质量份数的单位为g，体积份数的单位为mL。

对比实施例1

将木质纤维素进行机械粉碎，在室温20～25℃放置48小时晾干，过筛，得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒，在螺口瓶中，将木质纤维素颗粒放入pH＝2.3的无机盐溶液中并于110℃保温1h(不调节无机盐溶液的pH)，通过过滤将固液混合物进行固液分离，得到固体物质，用水对固体物质洗涤至中性，洗涤后于60℃干燥24h，得到对比木质纤维素，其中，无机盐溶液中无机盐的浓度为0.05mol/L，无机盐(水)溶液中的无机盐为FeCl₃。

木质纤维素颗粒的质量份数与无机盐溶液的体积份数的比为1：5，其中，质量份数的单位为g，体积份数的单位为mL。

实施例2

一种木质纤维素的预处理方法，包括以下步骤：

将木质纤维素进行机械粉碎，在室温20～25℃放置48小时晾干，过筛，得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒，在螺口瓶中，将木质纤维素颗粒放入pH＝1的无机盐溶液中并于110℃保温1h，得到固液混合物，通过过滤将固液混合物进行固液分离，得到固体，用水将固体洗涤至中性，洗涤后于60℃干燥24h，得到预处理后木质纤维素，其中，无机盐溶液中无机盐的浓度为0.01mol/L，无机盐溶液中的无机盐为FeCl₃，无机盐溶液的pH通过加入HCl溶液实现调节(无机盐溶液原始pH＝2.8)。

木质纤维素颗粒的质量份数与无机盐溶液的体积份数的比为1：5，其中，质量份数的单位为g，体积份数的单位为mL。

对比实施例2

将木质纤维素进行机械粉碎，在室温20～25℃放置48小时晾干，过筛，得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒，在螺口瓶中，将木质纤维素颗粒放入pH＝1的稀盐酸溶液(HCl浓度为0.1mol/L)中并于110℃保温1h，通过过滤将固液混合物进行固液分离，得到固体物质，用水对固体物质洗涤至中性，洗涤后于60℃干燥24h，得到对比木质纤维素。

木质纤维素颗粒的质量份数与稀盐酸溶液的体积份数的比为1：5，其中，质量份数的比为g，体积份数的比为mL。

实施例3

一种木质纤维素的预处理方法，包括以下步骤：

将木质纤维素进行机械粉碎，在室温20～25℃放置48小时晾干，过筛，得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒，在螺口瓶中，将木质纤维素颗粒放入pH＝2的无机盐溶液中并于110℃保温1h，得到固液混合物，通过过滤将固液混合物进行固液分离，得到固体，用水将固体洗涤至中性，洗涤后于60℃干燥24h，得到预处理后木质纤维素，其中，无机盐溶液中无机盐的浓度为0.01mol/L，无机盐溶液中的无机盐为FeCl₃，无机盐溶液的pH通过加入HCl溶液实现调节(无机盐溶液原始pH＝2.8)。

木质纤维素颗粒的质量份数与无机盐溶液的体积份数的比为1：5，其中，质量份数的单位为g，体积份数的单位为mL。

对比实施例3

将木质纤维素进行机械粉碎，在室温20～25℃放置48小时晾干，过筛，得到粒径为0.18-0.85mm的木质纤维素颗粒，在螺口瓶中，将木质纤维素颗粒放入pH＝2.8的无机盐溶液中并于110℃保温1h(不调节无机盐溶液的pH)，通过过滤将固液混合物进行固液分离，得到固体物质，用水对固体物质洗涤至中性，洗涤后于60℃干燥24h，得到对比木质纤维素，其中，无机盐溶液中无机盐的浓度为0.01mol/L，无机盐溶液中的无机盐为FeCl₃。

木质纤维素颗粒的质量份数与无机盐溶液的体积份数的比为1：5，其中，质量份数的单位为g，体积份数的单位为mL。

在下述酶解方法中，缓冲溶液为柠檬酸钠缓冲溶液，缓冲溶液的浓度为0.5mol/L。

一种木质纤维素的酶解方法，包括以下步骤：

在50mL锥形瓶中，将1g实施例1、2或3所得预处理后木质纤维素、0.5mL纤维素酶GC220和10mL、pH为4.8的0.5mol/L柠檬酸钠缓冲溶液均匀混合，再于50℃、150rpm的摇床中酶解48h，计算得到酶解率如表1所示。

表1

预处理后木质纤维素	酶解率
		实施例1	91％
实施例2	86％
		实施例3	68％

一种木质纤维素的酶解方法，包括以下步骤：

在50mL锥形瓶中，将1g对比实施例1、2或3所得对比木质纤维素、0.5mL纤维素酶GC220和10mL、pH为4.8的0.5mol/L柠檬酸钠缓冲溶液均匀混合，再于50℃、150rpm的摇床中酶解48h，计算得到酶解率如表2所示。

表2

预处理后木质纤维素	酶解率
		对比实施例1	79％
对比实施例2	73％
		对比实施例3	50.7％

本发明中，木质纤维素预处理无机盐用量很少，成本降低，节约资源；水洗后金属离子残留量较小，对后续酶解过程的抑制作用较小。本发明提供的方法需采用耐腐蚀设备，常压下即可操作。在本发明提供的方法中，无机盐中的金属离子在酸性环境下促进木质纤维素中半纤维素的降解，使预处理后木质纤维素在高固体浓度下酶解效率显著提高。研究结果表明，本发明预处理方法得到的预处理后木质纤维素以高固浓度酶解后，葡萄糖得率高达91％。而稀酸预处理木质纤维素酶解后葡萄糖得率约为73％。经稀酸调节盐溶液的pH后预处理底物较未调节之前酶解后葡萄糖转化率提升50％～80％(具体数值与pH值有关)。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。