[發明專利]一種超聲波輔助堿性高錳酸鉀預處理木質纖維素的方法

在審

• 申請號: 201710583320.8
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107164433A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 馬立娟;杜麗平;肖冬光;馬清;郭高杰;崔有志
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C12P19/02
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于木質纖維素生物質資源化利用技術領域，具體涉及一種采用超聲波輔助堿性高錳酸鉀預處理木質纖維素的方法。

背景技術

木質纖維素是自然界中儲量最大的可再生資源，可以通過化學和生物轉化生成能源替代物質或化工產品，在化石能源物質日益枯竭和環境保護的雙重壓力下，木質纖維素的有效轉化利用成為實現可持續發展的重要研究課題，這一課題已經列入國家中、長期科學發展規劃。目前，木質纖維素的微生物轉化最常用的是酶解發酵法。酶解發酵法的主要難點在于預處理技術與低成本高效酶的制取。木質纖維素由纖維素、半纖維素和木質素等組成，結構復雜，纖維素和半纖維素被木質素層層包裹，在水解纖維素過程中木質素扮演著屏障作用。因此，預處理的作用是降低纖維素的聚合度和結晶度，將不能降解為可發酵糖的木質素組分分離脫去，并增加纖維素的反應表面積。

近年來，對木質纖維素原料的預處理方面的研究報道較多，包括采用傳統的酸、堿預處理和近年新開發的氣爆法、氨爆法、離子液體以及生物法等處理方法。雖然一定程度上提高了木質纖維素的酶解率，但仍然存在工序復雜、能耗和設備投資高造成預處理成本高以及預處理廢液帶來的環境污染等一系列問題。堿性試劑和強氧化劑組合的預處理方法被報道可有效去除生物質中的木質素，同時破壞半纖維素、纖維素之間的氫鍵和纖維素的晶體結構，從而破壞生物質中的頑抗結構，但相關研究文獻較少。

高錳酸鉀是一種強氧化劑，普遍應用于給水處理，既可以將水中的有機物氧化，也可以對水中有機物進行吸附等，起到除臭、除錳以及除鐵等作用。我們的前期研究首次采用堿性高錳酸鉀預處理木質纖維素，結果表明，該方法能夠有效破壞木質纖維素三個組分之間的化合鍵連接，去除玉米芯中大部分木質素，提高后續木質纖維素的酶解得率。采用堿性高錳酸鉀預處理木質纖維素，與臭氧、二氧化氯以及氯等氧化劑相比，高錳酸鉀的安全性更高，較堿性過氧化氫穩定性更高、成本更低，因此，具有可行的工業化應用前景。

發明內容

本發明建立了一種利用超聲波的協同能量輔助堿性高錳酸鉀預處理木質纖維素的工藝方法，旨在提高木質素的去除率，纖維素和半纖維素組分的保留率，同時減少堿性高錳酸鉀的用量，最終提高木質纖維素的酶解效率，降低預處理成本。具體包括以下步驟：

(1)將木質纖維素原料(玉米秸稈、玉米芯、小麥秸稈、稻草秸稈和甘蔗渣中的任何一種或其組合)粉碎，過40～80目篩后于90℃烘干。

(2)取一定量經粉碎烘干的原料，加入堿性高錳酸鉀溶液使固液比控制在1∶10～1∶30，以1∶10為佳；使堿性高錳酸鉀的濃度控制為0.5～4％(w/v)，以2％為佳；預處理溫度控制在30～70℃，以60℃為佳；預處理時間控制在0.5～8h，以4h為佳。

(3)經預處理后的木質纖維素殘渣過濾后，用蒸餾水洗滌直至濾液pH達到中性，90℃干燥至恒重。

(4)將經上述預處理得到的殘渣加入0.05mol/L pH為4.5～5.0檸檬酸緩沖液中，控制其濃度為2～10％(w/v)，以8％為佳。

(5)向上述體系中加入來源于木霉的商品化纖維素酶和木聚糖酶，分別控制酶的裝載量為20～50FPU/g底物(以30FPU/g底物為佳)和5000～12000U/g底物(以8000U/g底物為佳)，45～55℃、搖床轉速100～200rpm的條件下反應48～96h進行酶解，以50℃、搖床轉速150rpm，酶解72h為佳。

(6)分別用DNS法和HPLC法測定水解液中還原糖和葡萄糖、木糖濃度。

本發明具有的優點：本發明首次采用超聲波輔助堿性高錳酸鉀的方法對木質纖維素原料進行預處理，在超聲波能量的協同作用下，能夠增強堿性高錳酸鉀溶液對木質纖維素的浸潤和溶脹作用，原料微結構分析表明，經該方法預處理后，木質纖維素原料表面蓬松多孔，結構變得松散，機械強度減弱，堿性高錳酸鉀可以破壞半纖維素和木質素之間的價鍵連接，氧化醚鍵和酯鍵，去除溶解玉米芯中木質素，這種結構有利于纖維素酶和木聚糖酶與玉米芯的接觸，利于后期的酶解。超聲波輔助可提高木質素的去除率，減少高錳酸鉀堿性溶液的用量，經本發明方法預處理后，木質素脫除率達50％以上，纖維素和半纖維素保留率分別可達94％和85％以上。木質纖維素的酶解率得到了大大提高。本發明方法條件溫和，簡單易操作，安全無污染，具有可行的工業化應用前景。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明做進一步說明，下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本發明的保護范圍。

實施例1