[發(fā)明專(zhuān)利]一種提高非木材纖維原料酶水解糖化效率的預(yù)處理方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110426473.4
• 申請(qǐng)日: 2011-12-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102517358A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金永燦;黃婷;楊林峰;李忠正
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C12P19/14
• 分類(lèi)號(hào): C12P19/14
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 肖明芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提高非木材纖維原料酶水解糖化效率的預(yù)處理方法。

背景技術(shù)

能源與環(huán)境問(wèn)題始終是制約世界各國(guó)文明與發(fā)展的重大課題。化石燃料儲(chǔ)量有限且逐漸枯竭，傳統(tǒng)化石燃料在使用過(guò)程中產(chǎn)生大量溫室氣體CO₂及其他有害氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，每年在全球引發(fā)的災(zāi)害性氣候問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千億美元。因此，尋找低成本、低污染、可再生的綠色能源成為世界各國(guó)的重點(diǎn)研究方向。20世紀(jì)70年代以來(lái)，生物能源以其無(wú)污染、可再生、不引起溫室效應(yīng)等特點(diǎn)被公認(rèn)為最具應(yīng)用前景的可再生能源之一，其中，燃料乙醇以其優(yōu)越的可再生性、高效性、清潔性以及可提高汽車(chē)防爆性能成為重要研究方向之一。

木質(zhì)纖維原料的主要化學(xué)成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。利用可再生的木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇已成為世界各國(guó)的共識(shí)。由于中國(guó)缺少木材資源，所以非木材木質(zhì)纖維原料尤其是農(nóng)業(yè)廢棄物得到了很大的關(guān)注。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年作物秸稈產(chǎn)量巨大(7億噸左右，相當(dāng)于5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤)，然而利用率很低。

纖維素完全水解可得到葡萄糖，葡萄糖經(jīng)發(fā)酵可轉(zhuǎn)化成酒精。在植物組織中，纖維素本身具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，半纖維素與木質(zhì)素以共價(jià)鍵形式結(jié)合，并緊緊地包圍著纖維素，形成了一種堅(jiān)固的天然屏障，使催化劑和一般微生物很難與纖維素接觸并使其降解。傳統(tǒng)的生物乙醇生產(chǎn)工藝包括預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵和蒸餾等幾個(gè)步驟，其中預(yù)處理是影響木質(zhì)纖維生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵步驟，直接影響木質(zhì)纖維素的水解效率和整個(gè)纖維素乙醇的生產(chǎn)成本。通過(guò)預(yù)處理可以打破纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的連接，破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分離或脫除部分半纖維素和木質(zhì)素，增加木質(zhì)纖維原料的孔隙度，提高酶對(duì)纖維素的接觸比表面積和可及性，從而提高酶水解效率，節(jié)省反應(yīng)時(shí)間并降低生產(chǎn)成本。

木質(zhì)纖維素的預(yù)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。其中，化學(xué)法和物理化學(xué)法是各國(guó)研究者的研究重點(diǎn)。化學(xué)法預(yù)處理主要指用堿、無(wú)機(jī)酸、有機(jī)溶劑、氧化劑等作為預(yù)處理劑，破壞纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)，打斷纖維素與木質(zhì)素的連接，同時(shí)溶解部分半纖維素。堿法預(yù)處理是利用木質(zhì)素可溶于堿的特點(diǎn)，脫除木質(zhì)素，使木質(zhì)纖維原料潤(rùn)脹，降低纖維聚合度和結(jié)晶度，增加纖維內(nèi)部表面積，從而提高酶水解效率。常用的堿包括NaOH、KOH、Ca(OH)₂和氨水等。

以農(nóng)業(yè)加工剩余物為主的草類(lèi)纖維原料結(jié)構(gòu)較木材疏松，含有大量易破碎的薄壁細(xì)胞，灰分和二氧化硅含量較高，木質(zhì)素含量低于木材，其纖維素和半纖維素易于酶水解為各種單糖。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種適用于非木材纖維原料的提高酶水解糖化效率的預(yù)處理方法。通過(guò)本發(fā)明預(yù)處理的方法，可在保留大部分高聚糖的前提下，合理地除去部分木質(zhì)素和灰分，有效提高后續(xù)酶水解的效率，降低非木材纖維原料生產(chǎn)生物能源的預(yù)處理成本。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種提高非木材纖維原料酶水解糖化效率的預(yù)處理方法，將碳酸鈉的水溶液與非木材纖維原料混合，在30～90℃下預(yù)浸30～120min，再加熱升溫至110～180℃后保溫反應(yīng)0～120min，將反應(yīng)結(jié)束后的非木材纖維原料用水洗凈，再用磨漿機(jī)疏解成纖維狀漿料，即完成預(yù)處理過(guò)程。

其中，所述的非木材纖維原料為禾本科植物，包括稻草、麥草、玉米稈、甘蔗渣、蘆葦、芒草、蘆竹或竹子。優(yōu)選來(lái)源最廣泛、價(jià)格最低廉的稻草、麥草或玉米稈等農(nóng)業(yè)加工剩余物。

其中，所述的碳酸鈉的重量為非木材纖維原料重量的4～30％，更高的用量在理論上是可行的，但較高的用量將導(dǎo)致廢液中無(wú)機(jī)物含量過(guò)高，熱值下降，影響化學(xué)藥品回收過(guò)程中濃縮廢液的燃燒，增加生產(chǎn)成本。優(yōu)選的范圍是6～20％。

其中，將碳酸鈉的水溶液與非木材纖維原料混合后，固液比范圍為1g∶(2～10)mL，更高或更低的固液比在理論上是可行的，但過(guò)高或過(guò)低的固液比會(huì)引起生產(chǎn)成本的增加或操作上的不便。優(yōu)選的范圍是1g∶(3～6)mL。

其中，預(yù)浸加熱方式可采用直接蒸汽加熱，預(yù)浸時(shí)間一般為30～120min，過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)的預(yù)浸時(shí)間將導(dǎo)致預(yù)處理均勻性差或預(yù)處理得率的降低。優(yōu)選的是，預(yù)浸溫度為60～90℃，預(yù)浸時(shí)間為30～60min。

其中，加熱升溫速率為1～3℃/min，優(yōu)選2℃/min。