一种木质纤维素的预处理方法技术

本发明专利技术公开了一种木质纤维素的预处理方法，该方法包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料进行粉碎，粉碎后粒径为20～80目，密封保存；(2)将步骤(1)所得的木质纤维素原料置于密封反应器中，固液比为1∶10～1∶20，反应温度为120‑200℃，反应时间为5～60min。(3)将步骤(2)所得的预处理物料依次进行漂洗除杂处理，挤压脱水处理和与碱液体混匀处理。(4)将步骤(3)所得的预处理残渣进行成分分析和电镜扫描。(5)将步骤(3)所得的预处理残渣进行酶解。本发明专利技术利用高压热水预处理方法，破坏木质纤维素的顽固性结构，从而提高半纤维素的回收率和木质纤维素酶解效率，降低成本，是一种高效无污染的预处理方法。

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维素的预处理方法
本专利技术属于生物工程和农业废弃物综合利用领域，涉及一种木质纤维素预处理方法。
技术介绍
生物乙醇被认为是最有前景的生物能源之一，是一种环境友好型且可再生能源。第一代燃料乙醇，主要以玉米等粮食作物为原料，但是出现了与人争粮，与粮争地的问题。近年来，第二代燃料乙醇逐渐崛起，生产原料主要是农林业废弃物-木质纤维素。木质纤维素生物质是一种可再生的能源资源，来源广泛，数量多，价格低。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，木质素对纤维素和半纤维素形成包裹，半纤维素则以无定型态的形式附着在纤维素周围，且纤维素自身存在着高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素的直接接触，酶解效率低。采用预处理可以消除木质素和半纤维素对纤维素的包裹，破坏纤维素的晶体结构，增大纤维素与酶的接触面积，提高糖收率及酶解效率。经济可行性分析的结果表明，预处理过程操作的成本占整个纤维素乙醇成本的16％-19％。常见的纤维素预处理技术有物理法，化学法，生物法以及几种预处理方法的综合法。物理法主要包括机械破碎法、微波处理法和辐射处理法等，化学方法包括酸水解、碱水解、氨处理以及臭氧处理等，生物法包括白腐菌、褐腐菌以及软腐菌等处理，综合方法包括蒸汽爆破，AFEX和高温机械粉碎等。不同预处理过程对生物质的结构成分去除程度存在差异，常见的酸碱预处理过程中会产生一定量的抑制剂，对后续发酵过程微生物的耐受性提出了一定的要求，且对环境有一定的压力；而AFEX可能产生毒害物质，且生产安全上不能得到充分保证。生物法预处理具有条件温和、专一性强、能耗低，但周期长、效率低。中国专利CN200710130844.8公开了一种氨液浸泡加真空爆破对木质纤维素原料进行预处理的方法，经过处理的原料比未经处理的原料产气量提高，很好地提高了预处理效果。但经汽爆处理后半纤维素损失可达以上，大大降低了原料利用率和糖收率。本专利技术提供的高压热水预处理方法，同时兼具稀酸预处理和蒸汽爆破预处理的优点，是一种很有前景的木质纤维素预处理方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种木质纤维素预处理方法，过程仅用水作为反应介质，高温液态水在预处理过程中既是溶剂又是反应剂，无需添加其它物质。以解决现有预处理技术方法中添加催化剂等对后续酶解、发酵过程中产生影响的缺陷。高温液态水预处理的实质是利用热量和自身酸催化能力使全部半纤维素及少量木质素溶解并发生水解反应，重新定位大部分木质素分布，增大纤维素与酶的接触面积，提高酶解效率和糖收率。为实现上述目的，本专利技术提出一种木质纤维素的预处理方法，该方法包括以下步骤：(1)将农作物秸秆或落叶灌木的原料进行粉碎，粉碎后粒径为20-80目，密封保存。将所得原料置于密闭反应器中，加入蒸馏水，保持固液比为1∶10-1∶30，反应温度为120-200℃，反应时间为5-60min。(2)将步骤(1)所得的预处理物料依次进行漂洗除杂处理，挤压脱水处理，然后进行晾干，将晾干后的物料与碱液体混匀处理。(3)将步骤(2)所得的预处理物料及未处理前物料进行成分分析，成分分析参照美国可再生能源实验室(NREL)的两步酸水解实验方法进行测定。(4)将步骤(2)所得的预处理物料及未处理前物料进行电镜扫描，观察预处理前后纤维素底物的表面结构。样品观察前先喷金处理，电压5-15kV。(5)将步骤(2)所得的预处理物料及未处理前物料进行酶解，酶解反应的总体积为20mL，在100mL的三角瓶中进行，葡聚糖负荷设置为1％，酶解反应温度为50℃，摇床转速200rpm。本专利技术的的积极意义1.该方法能很好的溶解半纤维素，提高木糖回收率，减少发酵抑制物的产生，从而提高原料的整体利用率。2.该方法不需要特殊的反应容器，处理后的抑制产物少，因此成本较低，是一种高效、绿色的预处理方法。3.该方法中水本身是非毒、非腐蚀的安全溶剂，不产生废液，对环境友好；步骤简单，无需中和步骤或是化学物质回收；能在低含水量下高效进行。具体实施方式为了使本专利技术更容易的被理解，通过具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明。应理解的是，这些实施案例仅用于例证的目的，绝不限制本专利技术的保护范围。一种木质纤维素的预处理方法，包括以下步骤：(1)将农作物秸秆或落叶灌木的原料切割为长度小于2～3cm小段，用粉碎机进行粉碎，粉碎后粒径为20-80目，密封保存。将所得的农作物秸秆或落叶灌木的原料在105℃烘干至恒重，置于密闭反应器中，加入蒸馏水，保持固液比为1∶10-1∶30，反应温度为120-200℃，反应时间为5-60min。将处理后的物料晾干4℃备用。(2)将步骤(1)所得的预处理物料依次进行漂洗除杂处理，挤压脱水处理，然后进行晾干，将晾干后的物料与碱液体混匀处理。(3)将步骤(2)所得的预处理后物料及未处理前物料进行成分分析，成分分析参照美国可再生能源实验室(NREL)的两步酸水解实验方法进行测定。对预处理前后的纤维素，半纤维素及木质素的变化进行分析。(4)将步骤(2)所得的预处理后物料及未处理前物料进行电镜扫描，观察预处理前后纤维素底物的表面结构。样品观察前先喷金处理，电压5-15kV。(5)对预处理前后物料进行酶解，酶解反应的总体积为20mL，在100mL的三角瓶中进行，葡聚糖负荷设置为1％，酶解反应温度为50℃，摇床转速200rpm。在酶解过程中取样，用HPLC测酶解液中的糖浓度，并计算葡聚糖和木聚糖的转化率。具体方式实施如下实施案例1木质纤维素的预处理方法包括：以柠条为原料，将自然风干的柠条切割为长度小于2～3cm小段，用FZ102微型植物试验粉碎机粉碎，之后过40目筛。取15g烘干后的样品，然后放入密闭反应器中，按照1∶20的固液比加入300ml蒸馏水，设置转速为300转/min。升高温度至160℃，停留30min。反应结束后迅速通冷凝水冷却，待反应体系温度降至50℃以下时，对浆液进行抽滤，收集水不可溶部分，在105℃烘干冷却后保存在4℃。将所得的预处理物料用蒸馏水进行漂洗除杂处理，然后进行挤压脱水处理，之后进行晾干，将晾干后的物料与碱液体混匀预处理，处理完后进行过滤，晾干保存。将粉碎后未预处理的柠条、预处理后物料，进行成分分析，成分分析参照美国可再生能源实验室(NREL)的两步酸水解实验方法进行测定。纤维素、木聚糖含量的测定方法：原料用72％硫酸在30℃下水解1小时，再加入84ml去离子水，在121℃下水解1小时，同时测定葡萄糖和木糖在高温稀酸环境下的回收率。水解液用0.22μm水相滤膜过滤，用高效液相色谱(HPLC)测定水解液中单糖含量。D(+)-葡萄糖、D-(+)-木糖和L-(+)-阿拉伯糖作为混合标品，采用外标法进行定量分析。酸不溶性木质素和灰分含量的测定方法：取滤纸于105℃烘箱烘干至恒重，精确称量并记录滤纸重量。水解液残渣真空抽滤，抽滤后的残渣于105℃的烘箱中烘干至恒重，用马弗炉测定样品灰分。将粉碎后未预处理的柠条、高压热水预处理后收集的水不可溶部分进行电镜扫描，可以观察预处理前后原料的表面变化情况。样品观察前先喷金处理，在加速电压5-15kV下成像。对预处理前后的物料进行酶解，酶解反应的总体积为20mL，在100mL的三角瓶中进行，葡聚糖负荷设置为1％，酶解反应温度为50℃，摇床转速2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质纤维素的预处理方法，包括以下步骤：(1)以木质纤维素为原料，用粉碎机进行粉碎，粉碎后粒径为20‑80目，密封保存。(2)将步骤(1)所得的木质纤维素原料烘干至恒重，置于高压热水密闭反应器中，加入蒸馏水，保持固液比为1∶10‑1∶20，反应温度为120‑200℃，反应时间为5‑60min。(3)将步骤(2)所得的预处理物料依次进行漂洗除杂处理，挤压脱水处理，然后进行晾干，将晾干后的物料与碱液体混匀处理。(4)将步骤(3)所得的预处理物料及未处理前物料进行成分分析，成分分析参照美国可再生能源实验室(NREL)的两步酸水解实验方法进行测定。(5)将步骤(2)所得的预处理物料及未处理前物料进行电镜扫描，观察预处理前后纤维素底物的表面结构。样品观察前先喷金处理，电压5‑15kV。(6)将步骤(2)所得的预处理物料及未处理前物料进行酶解，酶解反应的总体积为20mL，在100mL的三角瓶中进行，葡聚糖负荷设置为1％，酶解反应温度为50℃，摇床转速200rpm。

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素的预处理方法，包括以下步骤：(1)以木质纤维素为原料，用粉碎机进行粉碎，粉碎后粒径为20-80目，密封保存。(2)将步骤(1)所得的木质纤维素原料烘干至恒重，置于高压热水密闭反应器中，加入蒸馏水，保持固液比为1∶10-1∶20，反应温度为120-200℃，反应时间为5-60min。(3)将步骤(2)所得的预处理物料依次进行漂洗除杂处理，挤压脱水处理，然后进行晾干，将晾干后的物料与碱液体混匀处理。(4)将步骤(3)所得的预处理物料及未处理前物料进行成分分析，成分分析参照美国可再生能源实验室(NREL)的两步酸水解实验方法进行测定。(5)将步骤(2)所得的预处理物料及未处理前物料进行电镜扫描，观察预处理前后纤维素底物的表面结构。样品观察前先喷金处理，电压5-15kV。(6)将步骤(2)所得的预处理物料及未处理前物料进行酶解，酶解反应的总体积为20mL，在100mL的三角瓶...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟成，韩琳洁，刘正，贾士儒，谢燕燕，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津,12