一種農(nóng)作物秸稈的預(yù)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種農(nóng)作物秸稈的預(yù)處理方法，農(nóng)作物秸稈經(jīng)水熱法預(yù)處理后，用稀氫氧化鈉溶液在常溫下抽提預(yù)處理物料中的半纖維素和木質(zhì)素，得到易于酶水解的物料。該法具有纖維素回收率高、堿抽提過程中不生成發(fā)酵抑制物質(zhì)以及預(yù)處理物料易于酶解的優(yōu)點。
【專利說明】
-種農(nóng)作物稻軒的預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及可發(fā)酵性糖制備技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種農(nóng)作物賴桿的預(yù)處理方法。 技術(shù)背景
[0002] 中國有豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物資源，僅農(nóng)作物賴桿每年產(chǎn)量近7億噸。目前，農(nóng)作物賴 桿存在利用率低、附加值不高等問題，除部分用于還田，少量用于造紙、飼料、生物質(zhì)發(fā)電和 家庭燃料外，大多數(shù)農(nóng)作物賴桿尚未被工業(yè)化利用。農(nóng)作物賴桿在田間地頭焚燒，不僅嚴(yán)重 污染了環(huán)境，而且造成了大量可再生資源的浪費，因此，農(nóng)作物賴桿的高效利用，已成為我 國各級政府和科學(xué)家的關(guān)注熱點。農(nóng)作物賴桿中的纖維素可在纖維素酶的作用下水解成可 發(fā)酵性單糖，可發(fā)酵性單糖經(jīng)不同微生物發(fā)酵可轉(zhuǎn)化生成各種能源和化學(xué)品。
[0003] 木質(zhì)纖維原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，其中纖維素、半纖維素和木 質(zhì)素 W各種物理和化學(xué)結(jié)合方式形成復(fù)雜的超分子結(jié)構(gòu)，使得纖維素很難被纖維素酶水解 成可發(fā)酵性單糖。因此，木質(zhì)纖維原料在酶水解前必須經(jīng)過預(yù)處理步驟，W破壞原料中纖維 素、半纖維素和木質(zhì)素形成的致密結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有效分離，從而 提高纖維素酶對纖維素的水解得率。常規(guī)的W生產(chǎn)可發(fā)酵性糖為目標(biāo)的木質(zhì)纖維原料預(yù)處 理方法主要包括稀酸預(yù)處理法、稀堿預(yù)處理法和蒸汽爆破法等，運些預(yù)處理方法的應(yīng)用在 提高纖維素酶水解得率方面取得了積極的效果，但上述預(yù)處理方法仍然存在一些問題。例 如稀酸預(yù)處理、蒸汽爆破預(yù)處理方法存在預(yù)處理過程中少量纖維素和部分半纖維素發(fā)生降 解和分解作用產(chǎn)生不利于后續(xù)酶解、發(fā)酵的抑制物質(zhì);稀堿預(yù)處理過程中纖維素在高溫、堿 性條件下發(fā)生剝皮反應(yīng)，造成纖維素回收率低等問題。
[0004] 水熱法也是木質(zhì)纖維原料預(yù)處理的一種方法，是木質(zhì)纖維原料與水混合，于高溫 下蒸煮的一種預(yù)處理方法。水熱法預(yù)處理的機(jī)理是木質(zhì)纖維原料半纖維素上的乙酷基在高 溫下發(fā)生脫落，與水中的水合氨離子結(jié)合形成乙酸，導(dǎo)致蒸煮液的pH值降低，形成一個弱酸 性的反應(yīng)環(huán)境，隨后，半纖維素在高溫弱酸環(huán)境下發(fā)生降解而溶出；同時，水熱法預(yù)處理過 程中，木質(zhì)纖維原料中的少量木質(zhì)素在弱酸性條件下發(fā)生碎片化而W小分子的形式溶出。 因此，水熱法預(yù)處理實現(xiàn)了木質(zhì)纖維原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的一定分離，有利于 提高預(yù)處理物料的酶水解得率。但水熱法預(yù)處理過程中的高溫弱酸環(huán)境蒸煮強(qiáng)度較低，僅 能部分降解和溶解半纖維素和木質(zhì)素，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分離程度不夠，對纖維素 酶水解得率的提高程度低于常規(guī)的稀酸預(yù)處理、稀堿預(yù)處理和蒸汽爆破預(yù)處理。
[0005] 除了從木質(zhì)纖維原料中分離出半纖維素而實現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有效 分離外，從原料中分離出木質(zhì)素也是實現(xiàn)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素有效分離的一種方法。 常規(guī)的從木質(zhì)纖維原料中分離木質(zhì)素的方法通常是在高溫堿性條件下進(jìn)行，但在高溫堿性 條件下分離木質(zhì)素存在能耗大、纖維素回收率低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種農(nóng)作物賴桿的 預(yù)處理方法，該法具有纖維素回收率高、堿抽提過程中不生成發(fā)酵抑制物質(zhì)w及預(yù)處理物 料易于酶解的優(yōu)點。
[0007] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種農(nóng)作物賴桿的預(yù)處理方法，農(nóng)作物賴桿水熱法預(yù)處理后，用稀堿在常溫下抽 提半纖維素和木質(zhì)素，得到易于酶水解的物料。
[0009] -種農(nóng)作物賴桿的預(yù)處理方法，包括W下步驟：
[0010] (1)農(nóng)作物賴桿按固液比l:l〇(g:mU與水混合，于140°c-16(rc下蒸煮40min，將蒸 煮物固液分離；
[0011] (2)農(nóng)作物賴桿經(jīng)步驟（1)水熱法預(yù)處理、固液分離獲得的固體渣按固液比1:30 (g:mL)與濃度為2-6% (質(zhì)量百分濃度）的化0H溶液混合，于室溫（20°C)下浸泡化，固液分 離，用水洗涂固液分離后的固體渣至中性，獲得易于酶水解的物料。
[0012] 所述的農(nóng)作物賴桿包括麥草、玉米賴桿等農(nóng)業(yè)廢棄物。
[0013] 本發(fā)明的木質(zhì)纖維原料在水熱法預(yù)處理過程中，降解和溶解部分半纖維素和少量 木質(zhì)素后，破壞了木質(zhì)纖維素原有的致密結(jié)構(gòu)，提高了原料的比表面積和孔隙率，同時原料 中的部分木質(zhì)素、木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合物成分在水熱法預(yù)處理過程中也發(fā)生了一些反 應(yīng)，使得水熱法預(yù)處理后的物料中的半纖維素和木質(zhì)素易于提取，僅需在室溫、低堿濃度下 即可提取大量木質(zhì)素，從而可實現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有效分離。經(jīng)水熱 法-常溫稀堿抽提禪合預(yù)處理獲得的物料，十分有利于后續(xù)的酶水解，可獲得與化學(xué)法相當(dāng) 甚至更好的酶水解效果。
[0014] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過水熱法預(yù)處理降解和溶解原料中部分半 纖維素和少量木質(zhì)素，破壞了木質(zhì)纖維原料原有的致密結(jié)構(gòu)，修飾了原料中半纖維素和木 質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，提高了原料的比表面積和孔隙率，從而使水熱預(yù)處理物料中的半纖維素和木 質(zhì)素在室溫稀堿條件下容易被抽提分離，最終實現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的有 效分離，使預(yù)處理物料易于酶解。同時，本發(fā)明與常規(guī)化學(xué)預(yù)處理方法相比，具有纖維素回 收率高、能耗低、發(fā)酵抑制物生成量少的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0015] 圖1是水熱法-常溫堿抽提預(yù)處理對麥草酶水解得率的影響結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0016] W下結(jié)合具體實施對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。實施例是為說明而非限制本發(fā)明。本 領(lǐng)域中任何普通技術(shù)人員能夠理解運些實施例，不W任何方式限制本發(fā)明，可做適當(dāng)?shù)男?改而不違背本發(fā)明的實質(zhì)和偏離本發(fā)明的范圍。
[0017]實施例1
[0018] 麥草的水熱法預(yù)處理:50g絕干麥草與蒸饋水于固液比l:10(g:mL)、14(TC和160°C 條件下蒸煮40min，蒸煮結(jié)束后，抽濾，用500mL蒸饋水分3次洗涂、抽濾，固體部分用于分析。 麥草水熱預(yù)處理過程中纖維素回收率、半纖維素溶解率和木質(zhì)素脫除率如表1所示。
[0019] 表1水熱法預(yù)處理對麥草主要組分變化的影響
[0020]
[0021] ~結(jié)果表明，麥草分別在140°C和160°C條件下水熱法預(yù)處理，纖維素降解很少。半纖 維素在水熱作用下發(fā)生一定的降解和溶解，但發(fā)生降解和溶解的半纖維素不多，在6.91%- 18.86%之間。同樣，木質(zhì)素在水熱條件下也發(fā)生一定的降解和溶解作用，木質(zhì)素脫除率在 5.94%-8.75%之間。由此可知，水熱預(yù)處理條件下，盡管半纖維素和木質(zhì)素都發(fā)生一定的 降解和溶解作用，但降解和溶解的半纖維素和木質(zhì)素比例較低，雖然水熱法預(yù)處理實現(xiàn)了 麥草中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組分的一定分離，有利于后續(xù)的纖維素酶水解，但纖維 素、半纖維素和木質(zhì)素分離程度不高，難W獲得高的纖維素酶水解得率。
[0022] 實施例2
[0023] 麥草的水熱法-常溫堿抽提預(yù)處理，步驟如下：
[0024] (l)50g絕干麥草與蒸饋水于固液比l:10(g:mL)、14(TC和160°C條件下蒸煮40min， 蒸煮結(jié)束后，抽濾，得到固體渣。
[0025] (2)將步驟（1)獲得的固體渣用濃度為2-6%(質(zhì)量百分濃度）、固液比為l:30(g: mL)的化OH溶液在常溫下（20°C)浸泡化，抽濾，用lOOOmL蒸饋水分6次洗涂、抽濾，固體部分 用于分析。水熱法-常溫堿抽提預(yù)處理過程中麥草纖維素回收率、半纖維素溶解率和木質(zhì)素 脫除率如表2所示。
[00%]表2水熱法-常溫堿抽提預(yù)處理對麥草主要組分變化的影響
[0027]
[0028] 結(jié)果表明，麥草于140°C水熱法預(yù)處理后，用2-6%的化0H溶液于常溫下抽提化，半 纖維素溶解率為23.22%-50.76%、木質(zhì)素脫除率為33.83%-47.90% ;麥草于160°C水熱法 預(yù)處理后，用2-6%的化0田容液于常溫下抽提化，半纖維素溶解率為52.90 %-72.23%、木質(zhì) 素脫除率為48.23%-50.07%?？梢婝湶萁?jīng)水熱法預(yù)處理后，即使在常溫下，水熱預(yù)處理物 料中的半纖維素和木質(zhì)素容易被稀堿抽提，且纖維素回收率高，從而實現(xiàn)麥草中纖維素、半 纖維素和木質(zhì)素的有效分離，有利于后續(xù)的纖維素酶水解。
[0029] 實施例3
[0030] 水熱法-常溫堿抽提預(yù)處理麥草的纖維素酶水解，步驟如下：
[0031] (l)50g絕干麥草與蒸饋水于固液比l:10(g:mL)、14(TC和160°C條件下蒸煮40min， 蒸煮結(jié)束后，抽濾，得到固體渣。
[0032] (2)將步驟（1)獲得的固體渣用濃度為2-6%(質(zhì)量百分濃度）、固液比為l:30(g: mU的NaO田容液在常溫下（20°C)浸泡Ih，抽濾，用蒸饋水反復(fù)洗涂、抽濾直至水洗液呈中性。 固體渣用于酶水解。
[0033] (3)稱取絕干重2.5g的步驟(2)得到的固體渣于150mL酶解瓶中，加入Imo 1/L巧樣 酸緩沖液2.5mL，按纖維素酶用量25FPU/g纖維素加入纖維素酶，最后補充蒸饋水使酶解體 系體積為50mL。將酶解瓶置于15化pm、50°C恒溫?fù)u床中酶解72h。酶解結(jié)束后，取ImL酶解樣， 于100(K)rpm下離屯、5min，取上清液測定其中的葡萄糖濃度和纖維二糖濃度，并計算酶水解 得率。其中，纖維素酶水解得率（％ ) = [(水解液中葡萄糖濃度g/L X 0.9+水解液中纖維二糖 濃度g/LX 0.95) X 0.05/(底物絕干重g X纖維素含量）]X 100%。式中：0.9為葡萄糖與纖維 素的轉(zhuǎn)換系數(shù);0.95為纖維二糖與纖維素的轉(zhuǎn)換系數(shù);0.05為水解體系體積，L。
[0034] 結(jié)果如圖1所示，表明水熱法預(yù)處理麥草在常溫下經(jīng)稀堿(化0H)抽提處理后所獲 得的物料，十分有利于纖維素酶的水解。由圖1可知，在140°c-160°c、NaO田農(nóng)度在2%-6%范 圍內(nèi)，水熱法預(yù)處理溫度越高、抽提堿濃度越大，后續(xù)物料的酶水解得率越高。麥草分別于 140°C和160°C條件下水熱預(yù)處理，然后于常溫下用6%的化細(xì)抽提化獲得的物料經(jīng)纖維素 酶水解72h，纖維素酶水解得率分別為79.30 %和84.78 % %。
[00對比較例1
[0036] 水熱法預(yù)處理麥草的纖維素酶水解，步驟如下：
[0037] (l)50g絕干麥草與蒸饋水于固液比l:10(g:mL)、14(TC和160°C條件下蒸煮40min， 蒸煮結(jié)束后，抽濾，得到固體渣。
[0038] (2)將步驟（1)的固體渣用蒸饋水反復(fù)洗涂、抽濾直至水洗液呈中性。固體渣用于 酶水解。
[0039] (3)稱取絕干重2.5g的步驟(2)得到的固體渣于150mL酶解瓶中，加入Imo 1/L巧樣 酸緩沖液2.5mL，按纖維素酶用量25FPU/g纖維素加入纖維素酶，最后補充蒸饋水使酶解體 系體積為50mL。將酶解瓶置于15化pm、50°C恒溫?fù)u床中酶解72h。酶解結(jié)束后，取ImL酶解樣， 于100(K)rpm下離屯、5min，取上清液測定其中的葡萄糖濃度和纖維二糖濃度，并計算酶水解 得率。
[0040] 結(jié)果表明，麥草經(jīng)水熱法預(yù)處理后直接用于酶水解，由于水熱法預(yù)處理過程中半 纖維素溶解率和木質(zhì)素脫除率都不高，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 Ξ個主要組分沒有實現(xiàn) 很好的分離，因此酶水解得率較低。麥草分別于140°c、16(rc條件下水熱預(yù)處理后經(jīng)纖維素 酶水解72h，纖維素酶水解得率分別為30.03 %和37.83%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于麥草水熱法預(yù)處理-稀 堿常溫抽提后物料的酶水解得率。
【主權(quán)項】
1. 一種農(nóng)作物秸桿的預(yù)處理方法，其特征在于:農(nóng)作物秸桿水熱法預(yù)處理后，用稀堿在 常溫下抽提半纖維素和木質(zhì)素，得到易于酶水解的物料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿的預(yù)處理方法，其特征在于:所述的水熱法預(yù)處理 步驟中，原料與水按固液比1:10混合后，于140°C_160°C下蒸煮40min。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿的預(yù)處理方法，其特征在于:所述的常溫堿浸泡步 驟中，固液比為1:30，堿液氫氧化鈉濃度為2-6%，浸泡時間lh。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿的預(yù)處理方法，其特征在于:所述的農(nóng)作物秸桿包 括麥草、玉米秸桿。5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的農(nóng)作物秸桿的預(yù)處理方法，其特征在于，具體步驟如 下： (1) 農(nóng)作物秸桿按固液比1:10與水混合，于140°C-160°C下蒸煮40min，將蒸煮物固液分 離； (2) 將固液分離獲得的固體渣按固液比1: 30與濃度為2-6%的NaOH溶液混合，于室溫下 浸泡lh，固液分離，用水洗滌固液分離后的固體渣至中性，獲得易于酶水解的物料。
【文檔編號】C12P19/14GK106011199SQ201610570688
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月19日
【發(fā)明人】勇強(qiáng), 黃晨, 閔斗勇, 武新星, 李鑫, 賴晨歡, 徐勇, 歐陽嘉, 余世袁
【申請人】南京林業(yè)大學(xué)