用热水结合绿液预处理提高竹材酶解糖化效率的方法
阅读说明：本技术 用热水结合绿液预处理提高竹材酶解糖化效率的方法 (Method for improving enzymolysis saccharification efficiency of bamboo wood by combining hot water with green liquor pretreatment ) 是由 骆莲新 王绪崇 朱秋晓 张胜 王婷婷 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用热水结合绿液预处理提高竹材酶解糖化效率的方法,取风干竹材经热水预处理、然后再进行绿液预处理,再进行盘磨,最后进行纤维素酶酶解糖化。本方法可大大提高竹材的酶解糖化效率,纤维素的酶解效率最高可达到96.65％。使用本方法得到的糖可用于制取工业乙醇,从而提高竹子的经济效益,扩大了应用范围,并且随着效率的提高,还可以节约能源。(The invention discloses a method for improving the enzymolysis saccharification efficiency of bamboo wood by combining hot water with green liquor pretreatment. The method can greatly improve the enzymolysis saccharification efficiency of the bamboo wood, and the highest enzymolysis efficiency of the cellulose can reach 96.65 percent. The sugar obtained by the method can be used for preparing industrial ethanol, thereby improving the economic benefit of bamboo, expanding the application range and saving energy along with the improvement of efficiency.)
技术领域
本发明涉及生物质清洁化能源领域，尤其是用热水结合绿液预处理提高竹材酶解糖化效率的方法。
背景技术
随着我国经济的发展，能源短缺的问题日益凸显，且国家对环境保护的要求也越来越严格，寻找可替代化石燃料的清洁化能源刻不容缓。因此，一大批科研人员将目光聚焦在可再生的生物质上，利用生物质生产燃料乙醇既环保又可以缓解能源紧张问题。我国竹类资源丰富，但是由于竹材纤维不如木材纤维，在制浆造纸领域的利用率相对较低。然而其纤维素含量大致可以达到40％，含量丰富，在制取可发酵糖方面具有很好的优势。但是由于竹子的结构比较致密，纤维素酶很难进入未经预处理的竹子中，难以接触到纤维素，因此酶解糖化效率极低。
目前的预处理方法主要有物理法、化学法、生物法、物理化学联合法等，而其中应用最多的是化学法，主要包括稀酸预处理、热水预处理、碱预处理、有机溶剂预处理、离子液体预处理等，酸预处理会有大量的酸溶木质素出现，会导致木质素的重吸附阻碍纤维素的酶解，有机溶剂和离子液体预处理的成本较高，现阶段每百克原料的酶解还原糖的得率在50％以下，酶解糖化效率不高。也有些直接使用绿液预处理的，当绿液预处理条件在达到一定程度时，效果增加的已经不明显了。
发明内容
本发明为了进一步提高纤维素酶对竹材原料中纤维素的酶解效率，节约预处理过程中的能耗以及纤维素酶的使用量，提供了用热水结合绿液预处理提高竹材酶解糖化效率的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
用热水结合绿液预处理提高竹材酶解糖化效率的方法，取风干竹材先后经热水预处理、绿液预处理，然后再进行盘磨，最后进行纤维素酶酶解糖化。
所述热水预处理是将热水加入到竹材中，保温120℃，保温时间75min。
所述热水预处理中按绝干竹材与热水的固液比为1：6g/mL。
所述的绿液是用造纸工厂绿液调配而成，其中碳酸钠135.60g/L、氢氧化钠22.13g/L、硫化钠25.10g/L。
所述的绿液预处理的蒸煮条件为绝干竹材与蒸煮液的固液比为1：6g/mL。
所述的蒸煮液是绿液与水的混合液，其中绿液的添加量以总碱量计为绝干竹材质量的10％～20％，其余为水。
所述绿液预处理的处理温度为140～160℃，保温时间为75min。
所述的纤维素酶的活性为128FPU/g，纤维素酶的用量为15～20FPU/g绝干竹材。
所述纤维素酶酶解糖化是在pH为4.5～5.0，温度为50～60℃，水浴摇床的转速为150r/min的条件下进行。
与现有技术相比本发明的有益结果：
使用热水结合绿液法对竹材进行预处理，可以去除竹材中的大部分木质素，可减少木质素对酶解效率的负面影响，且使用的绿液可从造纸工厂直接取用，在一定程度上可以节约成本，从而使经济效益最大化。经过预处理后的竹材的纤维素含量提高，结合纤维素酶进行酶解可使竹材的酶解效率得到很大程度的提高，纤维素的酶解糖化得率可达到96.65％，几乎达到完全水解，通过制取燃料乙醇可以有效缓解化石能源短缺问题。
通过热水处理竹材，使盘磨更容易进行，可降低预处理能耗，节约能源；绿液预处理可大大降低竹材中木质素的含量，破环木质素以及竹材纤维的致密结构，有利于纤维素酶与纤维素进行接触反应，预处理结束后纤维素的含量为58.93％、半纤维素的含量为7.17％、木质素的含量为7.7％，酶解后每百克竹材可得到可发酵糖为56.95g，比目前主流的每百克竹材得到的可发酵糖高出10g左右，通过热水结合绿液预处理竹材，可降低纤维素酶的使用量，提高纤维素的酶解效率。通过热水结合绿液预处理竹材，比单纯绿液处理的效率高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法作进一步的详细描述。实施例1为仅使用热水不使用绿液的对比实施例，实施例2、3、4、5、6是使用本发明的方法进行酶解的实施例。
绿液使用实验室配制来模拟造纸工厂绿液，各实施例均按以下方法配制，取135.60g碳酸钠，22.13g氢氧化钠，25.10g硫化钠加入到1L水中充分溶解后备用。
实施例1
(1)热水预处理：
热水预处理的工艺如下：取风干竹材80g，将热水加入到竹材原料，加入的量是按绝干竹材与热水的固液比为1：6g/mL进行预处理，预处理温度为120℃，保温时间为75min；
(2)绿液预处理：
取步骤(1)制得的竹材，进行绿液预处理；绿液是根据造纸厂绿液的药品组成在实验室配制的，绿液预处理条件的工艺如下：取步骤1制得的竹材进行绿液预处理，绿液的添加量以总碱量计为绝干竹材质量的0％，加入水，直到绝干竹材与蒸煮液的固液比为1：6g/mL，加热，使温度为150℃，保温时间为75min；
(3)盘磨：
使用高浓连续式磨浆机进行竹材的研磨，三段盘磨间距依次为0.2mm、0.15mm、0.1mm，研磨后的竹材作为实验材料备用；
(4)纤维素酶酶解：
取步骤(3)制备的原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的处理工艺如下：取步骤(3)制备的1g绝干原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的活性为128FPU/g，纤维素酶的用量为15FPU/g，pH＝5.0，温度为50℃，摇床转速为150r/min，酶解时间为48h。
酶解效率：
取步骤(4)的酶解液使用高效液相色谱法进行浓度检测，计算得出纤维素的酶解效率为10.73％。
实施例2
(1)热水预处理：
热水预处理的工艺如下：取风干竹材80g，将热水加入到竹材原料，加入的量是按按绝干竹材与热水的固液比为1：6g/mL进行预处理，预处理温度为120℃，保温时间为75min；
(2)绿液预处理：
取步骤(1)制得的竹材，进行绿液预处理；绿液预处理条件的工艺如下：取步骤1制得的竹材进行绿液预处理，绿液的添加量以总碱量计为绝干竹材质量的10％，加入水，直到绝干竹材与蒸煮液的固液比为1：6g/mL，加热，使温度为150℃，保温时间为75min；
(3)盘磨：
使用高浓连续式磨浆机进行竹材的研磨，三段盘磨间距依次为0.2mm、0.15mm、0.1mm，研磨后的竹材作为实验材料备用；
(4)纤维素酶酶解：
取步骤(3)制备的原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的处理工艺如下：取步骤(3)制备的1g绝干原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的活性为128FPU/g，纤维素酶的用量为20FPU/g，pH＝5.0，温度为55℃，摇床转速为150r/min，酶解时间为48h。
酶解效率：
取步骤(4)的酶解液使用高效液相色谱法进行浓度检测，计算得出纤维素的酶解效率为75.91％。
实施例3
(1)热水预处理：
热水预处理的工艺如下：取风干竹材80g，将热水加入到竹材原料，加入的量是按绝干竹材与热水的固液比为1：6g/mL进行预处理，预处理温度为120℃，保温时间为75min；
(2)绿液预处理：
取步骤(1)制得的竹材，进行绿液预处理；绿液预处理条件的工艺如下：取步骤1制得的竹材进行绿液预处理，绿液的添加量以总碱量计为为绝干竹材质量的10％，加入水，直到绝干竹材与蒸煮液的固液比为1：6g/mL，加热，使温度为140℃，保温时间为75min；
(3)盘磨：
使用高浓连续式磨浆机进行竹材的研磨，三段盘磨间距依次为0.2mm、0.15mm、0.1mm，研磨后的竹材作为实验材料备用；
(4)纤维素酶酶解：
取步骤(3)制备的原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的处理工艺如下：取步骤(3)制备的1g绝干原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的活性为128FPU/g，纤维素酶的用量为15FPU/g，pH＝4.8，温度为50℃，摇床转速为150r/min，酶解时间为48h。
酶解效率：
取步骤(4)的酶解液使用高效液相色谱法进行浓度检测，计算得出纤维素的酶解效率为84.30％。
实施例4
(1)热水预处理：
热水预处理的工艺如下：取风干竹材80g，将热水加入到竹材原料，加入的量是按绝干竹材与热水的固液比为1：6g/mL进行预处理，预处理温度为120℃，保温时间为75min；
(2)绿液预处理：
取步骤(1)制得的竹材，进行绿液预处理；绿液预处理条件的工艺如下：取步骤1制得的竹材进行绿液预处理，绿液的添加量以总碱量计为绝干竹材质量的20％，加入水，直到绝干竹材与蒸煮液的固液比为1：6g/mL，加热，使温度为150℃，保温时间为75min；
(3)盘磨：
使用高浓连续式磨浆机进行竹材的研磨，三段盘磨间距依次为0.2mm、0.15mm、0.1mm，研磨后的竹材作为实验材料备用；
(4)纤维素酶酶解：
取步骤(3)制备的原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的处理工艺如下：取步骤(3)制备的1g绝干原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的活性为128FPU/g，纤维素酶的用量为20FPU/g，pH＝4.5，温度为60℃，摇床转速为150r/min，酶解时间为48h。
酶解效率：
取步骤(4)的酶解液使用高效液相色谱法进行浓度检测，计算得出纤维素的酶解效率为96.65％。经过计算，酶解后每百克竹材可得到可发酵糖为56.95g。
实施例5
(1)热水预处理：
热水预处理的工艺如下：取风干竹材80g，将热水加入到竹材原料，加入的量是按绝干竹材与热水的固液比为1：6g/mL进行预处理，预处理温度为120℃，保温时间为75min；
(2)绿液预处理：
取步骤(1)制得的竹材，进行绿液预处理；绿液预处理条件的工艺如下：取步骤1制得的竹材进行绿液预处理，绿液的添加量以总碱量计为绝干竹材质量的20％，加入水，直到绝干竹材与蒸煮液的固液比为1：6g/mL，加热，使预处理温度为160℃，保温时间为75min；
(3)盘磨：
使用高浓连续式磨浆机进行竹材的研磨，三段盘磨间距依次为0.2mm、0.15mm、0.1mm，研磨后的竹材作为实验材料备用；
(4)纤维素酶酶解：
取步骤(3)制备的原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的处理工艺如下：取步骤(3)制备的1g绝干原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的活性为128FPU/g，纤维素酶的用量为20FPU/g，pH＝4.5，温度为60℃，摇床转速为150r/min，酶解时间为48h。
酶解效率：
取步骤(4)的酶解液使用高效液相色谱法进行浓度检测，计算得出纤维素的酶解效率为83.75％。
实施例6
(1)热水预处理：
热水预处理的工艺如下：取风干竹材80g，将热水加入到竹材原料，加入的量是按绝干竹材与热水的固液比为1：6g/mL进行预处理，预处理温度为120℃，保温时间为75min；
(2)绿液预处理：
取步骤(1)制得的竹材，进行绿液预处理；绿液预处理条件的工艺如下：取步骤1制得的竹材进行绿液预处理，绿液的添加量以总碱量计为绝干竹材质量的10％，加入水，直到绝干竹材与蒸煮液的固液比为1：6g/mL，加热，使预处理温度为150℃，保温时间为75min；
(3)盘磨：
使用高浓连续式磨浆机进行竹材的研磨，三段盘磨间距依次为0.2mm、0.15mm、0.1mm，研磨后的竹材作为实验材料备用；
(4)纤维素酶酶解：
取步骤(3)制备的原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的处理工艺如下：取步骤(3)制备的1g绝干原料进行纤维素酶酶解，纤维素酶的活性为128FPU/g，纤维素酶的用量为15FPU/g，pH＝4.8，温度为50℃，摇床转速为150r/min，酶解时间为48h。
酶解效率：
取步骤(4)的酶解液使用高效液相色谱法进行浓度检测，计算得出纤维素的酶解效率为80.63％。