一种超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法技术

本发明专利技术涉及一种超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法，该方法的具体步骤如下：将木质纤维素原料粉碎、烘干，分别控制超声波功率、碱性高锰酸钾浓度、固液比、预处理时间和温度于适宜的范围内，过滤，水洗至中性，干燥后获得预处理后的木质纤维素残渣；向上述得到的残渣中在柠檬酸缓冲液体系中采用商业化纤维素酶和木聚糖酶进行酶解，获得可发酵的还原糖溶液。本发明专利技术中的预处理方法利用超声波的协同能量来提高木质素的去除率，纤维素和半纤维素组分的保留率，效果明显，减少了碱性高锰酸钾的用量；本发明专利技术预处理的木质纤维素残渣酶解效率和还原糖得率得到大大提高。同时，本发明专利技术方法具有环境友好、操作简单、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法
本专利技术属于木质纤维素生物质资源化利用
，具体涉及一种采用超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法。
技术介绍
木质纤维素是自然界中储量最大的可再生资源，可以通过化学和生物转化生成能源替代物质或化工产品，在化石能源物质日益枯竭和环境保护的双重压力下，木质纤维素的有效转化利用成为实现可持续发展的重要研究课题，这一课题已经列入国家中、长期科学发展规划。目前，木质纤维素的微生物转化最常用的是酶解发酵法。酶解发酵法的主要难点在于预处理技术与低成本高效酶的制取。木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素等组成，结构复杂，纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，在水解纤维素过程中木质素扮演着屏障作用。因此，预处理的作用是降低纤维素的聚合度和结晶度，将不能降解为可发酵糖的木质素组分分离脱去，并增加纤维素的反应表面积。近年来，对木质纤维素原料的预处理方面的研究报道较多，包括采用传统的酸、碱预处理和近年新开发的气爆法、氨爆法、离子液体以及生物法等处理方法。虽然一定程度上提高了木质纤维素的酶解率，但仍然存在工序复杂、能耗和设备投资高造成预处理成本高以及预处理废液带来的环境污染等一系列问题。碱性试剂和强氧化剂组合的预处理方法被报道可有效去除生物质中的木质素，同时破坏半纤维素、纤维素之间的氢键和纤维素的晶体结构，从而破坏生物质中的顽抗结构，但相关研究文献较少。高锰酸钾是一种强氧化剂，普遍应用于给水处理，既可以将水中的有机物氧化，也可以对水中有机物进行吸附等，起到除臭、除锰以及除铁等作用。我们的前期研究首次采用碱性高锰酸钾预处理木质纤维素，结果表明，该方法能够有效破坏木质纤维素三个组分之间的化合键连接，去除玉米芯中大部分木质素，提高后续木质纤维素的酶解得率。采用碱性高锰酸钾预处理木质纤维素，与臭氧、二氧化氯以及氯等氧化剂相比，高锰酸钾的安全性更高，较碱性过氧化氢稳定性更高、成本更低，因此，具有可行的工业化应用前景。
技术实现思路
本专利技术建立了一种利用超声波的协同能量辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的工艺方法，旨在提高木质素的去除率，纤维素和半纤维素组分的保留率，同时减少碱性高锰酸钾的用量，最终提高木质纤维素的酶解效率，降低预处理成本。具体包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料(玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、稻草秸秆和甘蔗渣中的任何一种或其组合)粉碎，过40～80目筛后于90℃烘干。(2)取一定量经粉碎烘干的原料，加入碱性高锰酸钾溶液使固液比控制在1∶10～1∶30，以1∶10为佳；使碱性高锰酸钾的浓度控制为0.5～4％(w/v)，以2％为佳；预处理温度控制在30～70℃，以60℃为佳；预处理时间控制在0.5～8h，以4h为佳。(3)经预处理后的木质纤维素残渣过滤后，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90℃干燥至恒重。(4)将经上述预处理得到的残渣加入0.05mol/LpH为4.5～5.0柠檬酸缓冲液中，控制其浓度为2～10％(w/v)，以8％为佳。(5)向上述体系中加入来源于木霉的商品化纤维素酶和木聚糖酶，分别控制酶的装载量为20～50FPU/g底物(以30FPU/g底物为佳)和5000～12000U/g底物(以8000U/g底物为佳)，45～55℃、摇床转速100～200rpm的条件下反应48～96h进行酶解，以50℃、摇床转速150rpm，酶解72h为佳。(6)分别用DNS法和HPLC法测定水解液中还原糖和葡萄糖、木糖浓度。本专利技术具有的优点：本专利技术首次采用超声波辅助碱性高锰酸钾的方法对木质纤维素原料进行预处理，在超声波能量的协同作用下，能够增强碱性高锰酸钾溶液对木质纤维素的浸润和溶胀作用，原料微结构分析表明，经该方法预处理后，木质纤维素原料表面蓬松多孔，结构变得松散，机械强度减弱，碱性高锰酸钾可以破坏半纤维素和木质素之间的价键连接，氧化醚键和酯键，去除溶解玉米芯中木质素，这种结构有利于纤维素酶和木聚糖酶与玉米芯的接触，利于后期的酶解。超声波辅助可提高木质素的去除率，减少高锰酸钾碱性溶液的用量，经本专利技术方法预处理后，木质素脱除率达50％以上，纤维素和半纤维素保留率分别可达94％和85％以上。木质纤维素的酶解率得到了大大提高。本专利技术方法条件温和，简单易操作，安全无污染，具有可行的工业化应用前景。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术做进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本专利技术的保护范围。实施例1一种采用超声波辅助碱性高锰酸钾预处理玉米秸秆的方法，包括以下步骤：(1)将玉米秸秆粉碎，过60目筛后于90℃烘干至恒重。(2)取8.0g经粉碎烘干的玉米秸秆原料，加入100mL浓度为2％(w/v)的高锰酸钾溶液，氢氧化钠调pH为11，将装有该混合液的三角瓶置于超声波反应装置中，设置功率为250W，频率40kHz，在60℃下处理4h。(3)将预处理后的玉米秸秆过滤，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90℃烘干至恒重。(4)取2.0g上述预处理后经烘干的玉米秸秆残渣(或未经预处理的玉米秸秆原料)，加入25mL0.05mol/L、pH为4.8的柠檬酸缓冲液中，向该混合液中加入木霉来源的商品化纤维素酶和木聚糖酶，其中纤维素酶的装载量为20FPU/g底物，木聚糖酶的装载量为12000U/g底物，控制水解体系总体积为40mL。(5)上述体系于50℃、摇床转速150rpm的条件下进行酶解，反应72h后分别测定还原糖、葡萄糖和木糖浓度。经过测定及计算，预处理后纤维素保留率为94.28％，半纤维素保留率为87.56％，木质素去除率为56.79％。酶解还原糖得率较未处理玉米秸秆提高了106.33％。实施例2一种采用超声波辅助碱性高锰酸钾预处理玉米芯的方法，包括以下步骤：(1)将玉米芯粉碎，过80目筛后于90℃烘干至恒重。(2)取5.0g经粉碎烘干的玉米芯原料，加入100mL浓度为1.5％(w/v)的高锰酸钾溶液，氢氧化钠调pH为11.5，将装有该混合液的三角瓶置于超声波反应装置中，设置功率为300W，频率40kHz，在65℃下处理4h。(3)将预处理后的玉米芯过滤，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90℃烘干至恒重。(4)取2.0g上述预处理后经烘干的玉米芯残渣(或未经预处理的玉米芯原料)，加入25mL0.05mol/L、pH为4.8的柠檬酸缓冲液中，向该混合液中加入木霉来源的商品化纤维素酶和木聚糖酶，其中纤维素酶的装载量为30FPU/g底物，木聚糖酶的装载量为16000U/g底物，控制水解体系总体积为40mL。(5)上述体系于50℃、摇床转速180rpm的条件下进行酶解，反应72h后分别测定还原糖、葡萄糖和木糖浓度。经过测定及计算，预处理后纤维素保留率为94.26％，半纤维素保留率为85.83％，木质素去除率为58.17％。酶解还原糖得率较未处理玉米芯提高了92.21％。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料粉碎、烘干，分别控制超声波功率、碱性高锰酸钾浓度、固液比、预处理时间和温度于适宜的范围内，过滤，水洗，干燥后获得预处理后的木质纤维素残渣；(2)向上述得到的残渣中在柠檬酸缓冲液体系中采用商业化纤维素酶和木聚糖酶进行酶解，测定水解液中还原糖浓度。

【技术特征摘要】
1.一种超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料粉碎、烘干，分别控制超声波功率、碱性高锰酸钾浓度、固液比、预处理时间和温度于适宜的范围内，过滤，水洗，干燥后获得预处理后的木质纤维素残渣；(2)向上述得到的残渣中在柠檬酸缓冲液体系中采用商业化纤维素酶和木聚糖酶进行酶解，测定水解液中还原糖浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素为玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、稻草秸秆和甘蔗渣中的任何一种或其组合。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中木质纤维素原料粉碎后，过40～80目筛，90℃干燥至恒重。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所用超声波功率为150-800W，超声波频率为20-50kHz；碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：马立娟，杜丽平，肖冬光，马清，郭高杰，崔有志，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12