一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂及其制备方法和使用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂及其制备方法和使用方法，本发明专利技术方法有效破解了木质纤维素的结构，使其表面积显著增加，使酶解更充分，强化了酶活性、降低了酶载量，提高了还原糖与乙醇得率，简化了处理工序，减少了助剂添加种类；制得的催化剂可作用木质纤维素生物质乙醇转化的全过程，即贯穿预处理、酶解糖化及发酵三个过程。缩短了过程时间，同时又便于回收，可循环使用多次，显著节省了木质纤维素生物质乙醇转化成本，对有效缓解环境污染、解决能源危机将具有重要意义。

A catalyst for ethanol conversion of lignocellulose biomass and its preparation method and application method

The invention discloses a catalyst for ethanol conversion of lignocellulose biomass and its preparation method and application method. The method effectively cracks the structure of lignocellulose, increases its surface area, makes enzymatic hydrolysis more fully, strengthens the enzyme activity, reduces the enzyme load, improves the yield of reducing sugar and ethanol, simplifies the processing procedure and reduces the additive species. Category A: The prepared catalyst can be used in the conversion of lignocellulose biomass into ethanol, i. e. through three processes: pretreatment, enzymatic saccharification and fermentation. It shortens the process time and is easy to recycle. It can be reused many times. It significantly saves the conversion cost of lignocellulose biomass ethanol. It will be of great significance to effectively alleviate environmental pollution and solve the energy crisis.

【技术实现步骤摘要】
一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂及其制备方法和使用方法
本专利技术属于可再生能源转化领域，一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂及其制备方法和使用方法。
技术介绍
我国是农业大国，木质纤维素生物质资源丰富，以生物质为原料生产燃料乙醇是缓解能源危机的有效手段，也对保持社会可持续发展、减轻环境污染具有重要意义。木质纤维素生物质主要由半纤维素、纤维素、木质素组成，结构致密、性质稳定，是一类很难降解的物质，若要实现其生物燃料及高附加值化学品的转化，有效的原料预处理至关重要，这也是制约生物质原料向燃料转化的瓶颈之一。目前，国内外学者已成功应用多种预处理技术(如热化学法、超声波法、微波法、生物法等)实现了农林木质纤维素生物质的降解转化。另一方面，木质纤维素水解糖化是制约生物质原料向燃料有效转化的又一瓶颈所在。纤维素的水解主要有酶法和化学法，纤维素酶解因具有糖损耗低、副产物少、污染小等特点，备受关注。但由于纤维素酶存在稳定性差、活力低、成本高等缺陷，致使酶解效率低，难以实现商业化。为此，国内外学者围绕如何提高木质纤维素生物质酶解糖化效率，进行了大量科研工作。例如赵莉娟等选用质量比4:25:12的纤维素酶、木聚糖酶和漆酶为复合酶制剂，在复合酶制剂投加量1.0g、酶解温度45℃、pH5的条件下酶解5.4h，紫苏梗可水解产还原糖108.8mg/g(赵莉娟，胥江河，王星敏，邵承斌，曾雪.紫苏梗酶解糖化条件优化，南方农业学报，2017，48(6)：1054-1061.)。张升友等以制浆造纸厂固体废弃物芦苇湿法备料废渣为原料，发酵制备生物乙醇，结果显示，1吨的芦苇备料废渣经过球磨碱预处理、纤维素酶解，并在发酵条件为酵母菌用量1％、时间24h的条件下可以制得151kg的生物乙醇。此外，Zhang通过碱联合白腐菌预处理强化杨木的酶解糖化作用，还原糖转化率显著(ZhangLiming,etal.,IndustrialCropsandProducts,2016,86)。综上所述，这些方法均在一定程度上改善木质纤维素生物质的结构，提高了木质纤维素的酶解效率，有助于乙醇燃料转化，但是从木质纤维素生物质到乙醇，要经过预处理、酶解糖化、发酵等步骤，操作程序复杂不易控制，且每步都要加入新的助剂或需借助外力，处理成本较高，同时也可能存在二次污染、或后续处理。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂及其制备方法和使用方法。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术公开了一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)取生活污泥和占生活污泥质量8.6％～13.7％的氧化钙，充分混合均匀，得到混合物，将混合物在76～89℃水浴下超声处理85～139min，将得到的上清液喷雾干，制得污泥氨基酸；2)将污泥氨基酸、磁性Fe3O4/MgAl-LDH和水按(1～4)g：2g：100mL的比例，充分混合均匀后，调节pH值为8.5～9.6，然后将混合物洗涤、离心处理直至去除残留的污泥氨基酸，将得到的产物经冷冻干燥、研磨、过筛，制得用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂。优选地，步骤1)中，超声处理的功率为108W，频率为20.024kHz。优选地，步骤2)中，充分混合均匀是在45～65℃下振荡处理3～6d。优选地，步骤2)中，采用0.05M的HCl或NaOH溶液调节pH值；然后将混合物用50％乙醇洗涤，以13400×g离心10min，持续离心数次直至除去污泥氨基酸。优选地，步骤2)中，过筛为过200目筛。本专利技术还公开了采用上述的制备方法制得的用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂，记作催化剂SAA-LDH。本专利技术还公开了使用上述的用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂处理木质纤维素生物质的方法，包括以下步骤：步骤1：将木质纤维素生物质粉碎、过筛，得到生物质粉，按生物质粉：催化剂SAA-LDH＝100：(5～40)的质量比混合后，浸泡于水中，满足固液比0.2:1～0.8:1；然后光照处理45～120min，得到预处理木质纤维素生物质溶液；步骤2：避光条件下，向预处理木质纤维素生物质溶液中加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，混匀后加入纤维素酶，于35～55℃下酶解反应24～96h；步骤3：避光条件下，向经步骤2处理的木质纤维素生物质溶液中加入酵母菌，在33.5～37.8℃发酵50～90h，得到处理后的木质纤维素生物质溶液。优选地，步骤1中，将木质纤维素生物质粉碎、过80目筛。优选地，采用磁分离法回收处理后的木质纤维素生物质溶液中的催化剂SAA-LDH，经洗涤、避光干燥处理后能够重复利用6次。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术通过可见光照射SAA-LDH改变木质纤维素的结构，在可见光作用下，SAA-LDH具有显著地催化活性，使原料致密结构破解，比表面积(SSA)增加，结晶度指数(CrI)降低，有助于后续的酶解糖化，该预处理工序简单，操作容易可控。2、本专利技术方法采用的SAA-LDH在避光条件下可为酶解助剂，这是因为在水滑石层间和表面吸附污泥氨基酸具有表面活性剂的作用，可降低木质素对酶的非特异性吸收，节省了酶的用量，同时还可有效地缓解酶的热失活，延长酶活性，并且还可通过SAA-LDH的表面活性降低酶与气液界面的接触，避免了酶的额外损耗。3、SAA-LDH可促使脱羧反应的正向进行，有利于提高发酵过程中乙醇的产率。4、乙醇转化完成，SAA-LDH可通过磁分离技术回收再利用。本方法缩短了传统生物质乙醇转化的时间，减少了过程步骤与所需助剂的种类，乙醇转化率高，品质好，同时催化剂可循环利用多次，成本低又无环境污染。附图说明图1-1为实施例1处理的生物质的CrI和比表面积变化；图1-2为实施例1的SAA-LDH的循环利用次数对还原糖和乙醇得率的影响；图2-1为实施例2处理的生物质的CrI和比表面积变化；图2-2为实施例2的SAA-LDH的循环利用次数对还原糖和乙醇得率的影响；图3-1为实施例3处理的生物质的CrI和比表面积变化；图3-2为实施例3的SAA-LDH的循环利用次数对还原糖和乙醇得率的影响。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：1)取一定量的氧化钙和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)取生活污泥和占生活污泥质量8.6％～13.7％的氧化钙，充分混合均匀，得到混合物，将混合物在76～89℃水浴下超声处理85～139min，将得到的上清液喷雾干，制得污泥氨基酸；2)将污泥氨基酸、磁性Fe3O4/MgAl‑LDH和水按(1～4)g：2g：100mL的比例，充分混合均匀后，调节pH值为8.5～9.6，然后将混合物洗涤、离心处理直至去除残留的污泥氨基酸，将得到的产物经冷冻干燥、研磨、过筛，制得用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)取生活污泥和占生活污泥质量8.6％～13.7％的氧化钙，充分混合均匀，得到混合物，将混合物在76～89℃水浴下超声处理85～139min，将得到的上清液喷雾干，制得污泥氨基酸；2)将污泥氨基酸、磁性Fe3O4/MgAl-LDH和水按(1～4)g：2g：100mL的比例，充分混合均匀后，调节pH值为8.5～9.6，然后将混合物洗涤、离心处理直至去除残留的污泥氨基酸，将得到的产物经冷冻干燥、研磨、过筛，制得用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂。2.根据权利要求1所述的用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，超声处理的功率为108W，频率为20.024kHz。3.根据权利要求1所述的用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，充分混合均匀是在45～65℃下振荡处理3～6d。4.根据权利要求1所述的用于木质纤维素生物质乙醇转化的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用0.05M的HCl或NaOH溶液调节pH值；然后将混合物用50％乙醇洗涤，以13400×g离心10min，持续离心数次直至除去污泥氨基酸。5.根据权利要求1所述的用于木质纤维素生...

【专利技术属性】
技术研发人员：相玉琳，相玉秀，张俊霞，戴春雨，王若恺，王立鹏，
申请(专利权)人：榆林学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61