[發(fā)明專利]一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201410459768.5
• 申請日: 2014-09-11
• 公開（公告）號: CN104263779A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李國民;銀光照;劉一凡;郝劉丹;銀建中
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于綠色化學(xué)和清潔能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法。

背景技術(shù)

木質(zhì)纖維素由半纖維素、纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，主要來源于農(nóng)作物秸稈、樹木和野草等。作為一種生物質(zhì)資源，因其可再生、產(chǎn)量巨大，成為可再生能源和資源利用的焦點(diǎn)。直接燃燒是木質(zhì)纖維素利用的傳統(tǒng)形式，能源利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。將木質(zhì)纖維素通過化學(xué)或者生物法水解生成還原糖，再經(jīng)發(fā)酵制取燃料乙醇，是可替代能源的重要組成部分，也是木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源的高效利用途徑。酶水解木質(zhì)纖維素制備還原糖工藝因環(huán)境友好、條件溫和以及還原糖收率高而倍受青睞。為了提高纖維素酶對木質(zhì)纖維素水解的效率，首先需要對其進(jìn)行預(yù)處理，目的在于破壞半纖維素以及木質(zhì)素對纖維素的包裹和纏繞作用，最大限度地改善酶對纖維素的可及度。

以往對木質(zhì)纖維素預(yù)處理的方法主要有：酸堿預(yù)處理、氨爆破預(yù)處理、蒸汽爆破預(yù)處理以及超臨界二氧化碳預(yù)處理等。酸堿預(yù)處理工藝成熟，但存在腐蝕性強(qiáng)、對設(shè)備要求高、產(chǎn)物分離和廢液處理難度大等問題。超臨界二氧化碳預(yù)處理和蒸汽爆破預(yù)處理綠色環(huán)保，但需高溫高壓的苛刻條件且能耗較大。氨爆破預(yù)處理工藝復(fù)雜，氨回收成本高且存在環(huán)境污染問題。為克服上述預(yù)處理工藝的不足，本發(fā)明提出一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法。

加壓熱水是指水/二氧化碳或者水/氮?dú)庀到y(tǒng)總壓力為3～10MPa、溫度為80～120℃的水，是一種綠色溶劑。加壓熱水在預(yù)處理中能對木質(zhì)纖維素起到潤濕和溶脹作用，使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變的松散，機(jī)械強(qiáng)度減弱，CO₂或N₂能更好的進(jìn)入木質(zhì)纖維素內(nèi)部，泄壓產(chǎn)生優(yōu)越的爆破效果，同時加壓熱水也是超聲波的良好傳播介質(zhì)，為超聲波處理木質(zhì)纖維素提供基礎(chǔ)。

超聲波是一種能量形式，廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、物理化學(xué)等各個領(lǐng)域。利用超聲波產(chǎn)生的振蕩和空化作用，可以破壞生物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部化學(xué)鍵，打破木質(zhì)素和半纖維素對纖維素的束縛，使纖維素酶與纖維素接觸表面積變大，從而促進(jìn)酶水解進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法，解決酸堿預(yù)處理腐蝕設(shè)備、對設(shè)備要求高、產(chǎn)物分離困難和廢液處理問題，超臨界二氧化碳預(yù)處理和蒸汽爆破預(yù)處理高溫高壓等苛刻條件和高能耗，氨纖維爆破預(yù)處理工藝復(fù)雜、回收成本高、污染環(huán)境問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種加壓熱水中超聲波預(yù)處理促進(jìn)木質(zhì)纖維素酶水解制備還原糖的方法，將一定質(zhì)量比去離子水與粉碎后烘干的木質(zhì)纖維素放入反應(yīng)器中，在加壓熱水中進(jìn)行超聲波預(yù)處理，再使用纖維素酶對預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素進(jìn)行水解，制備還原糖；具體步驟以下：

(1)將去離子水與粉碎烘干的木質(zhì)纖維素以質(zhì)量比為10～100:1混合加入到反應(yīng)器中，反應(yīng)器內(nèi)通入3～10MPa壓力的二氧化碳或者氮?dú)獠⒓訜幔３址磻?yīng)器內(nèi)溫度為80～120℃；然后反應(yīng)器內(nèi)施加頻率40～60kHz、功率90～600W的超聲場，持續(xù)10～120min；待反應(yīng)結(jié)束后，在2-10min內(nèi)使反應(yīng)器壓力泄放至常壓，取出物料并將其烘干至恒重。

(2)將步驟(1)中所得烘干后的木質(zhì)纖維素放入中加入pH＝4.8、濃度為0.2M的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，乙酸-乙酸鈉緩沖溶液與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為50:1，再加入與木質(zhì)纖維素質(zhì)量比為0.5～1.2:1的纖維素酶，纖維素酶活性為4000U/g，在50℃、100r/min的水浴搖床中酶水解48h，得到還原糖溶液。

所述的木質(zhì)纖維素為玉米秸稈、玉米芯、稻稈、高粱秸稈、甘蔗渣、麥稈中的一種或兩種以上混合，粒徑為20～40目。

本發(fā)明的效果和益處是：加壓熱水是一種綠色溶劑，在預(yù)處理中能對木質(zhì)纖維素起到潤濕和溶脹作用，使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)變的松散，機(jī)械強(qiáng)度減弱，CO₂或N₂能更好的進(jìn)入木質(zhì)纖維素內(nèi)部，泄壓產(chǎn)生更好的爆破效果，同時加壓熱水也是超聲波的良好傳播介質(zhì)，使超聲振蕩和波空化作用效果更好，在加壓熱水和超聲波的共同作用下，破壞木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部化學(xué)鍵，打破木質(zhì)素和半纖維素對纖維素的束縛，纖維素酶與纖維素有更大的接觸面積，從而促進(jìn)酶水解進(jìn)行，獲得更高的還原糖產(chǎn)率。加壓熱水中進(jìn)行超聲波預(yù)處理，節(jié)省時間，無需高溫，條件溫和，對設(shè)備要求低，操作簡單，綠色環(huán)保，成本低，后續(xù)處理簡單。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。