一种提高农业秸秆原料全组分利用率的方法与流程

本发明涉及一种提高农业秸秆原料全组分利用率的方法，属于再生能源和农林生物质资源转化及利用
技术领域：
。
背景技术：
：我国是一个农业大国，每年形成的农业废弃物约有7亿t，除少数秸秆被作为牲畜饲料、农家肥和农村燃料外，大多数秸秆被堆放或直接焚烧，不仅造成生物质资源的巨大浪费，也带来严重的环境污染问题。以麦草、玉米秸秆等农业废弃物为原料，进行预处理获得木质素类产品，然后通过酶解方法获取可发酵性糖液，是合理利用废弃生物质资源的重要途径，对于保护大气环境、缓解能源危机、实现可持续发展具有重要意义。农业秸秆等木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。其中纤维素与木质素、纤维素与半纤维素之间通过氢键结合。半纤维素和木质素之间除氢键外，还包括酯键、醚键等化学键。这三种物质相互缠绕形成复杂紧密的结构，使木质纤维类生物质很难被酶或者微生物降解。因此需通过一定的预处理方法，分离或者脱除木质纤维原料中部分半纤维素和木质素，增加纤维素孔隙率和比表面积，从而提高后续水解效率。目前常用的以生产可发酵性糖为目标的预处理方法主要包括蒸汽爆破法、水热预处理法、稀酸预处理法和有机溶剂法等，这些方法的应用在提高纤维素酶解率方面取得了积极的效果，但仍存在一些问题。例如蒸汽爆破法设备要求高、操作难度和危险度较大，水热预处理和稀酸预处理中纤维素和半纤维素发生降解可产生不利于后续发酵的抑制物。近年来，有机溶剂预处理方法因对木质素有较好的溶解能力可生产质量好高纯度的木质素类产品等优势受到研究者关注，但有机溶剂方法有着糖(特别是木糖)回收率低下和处理温度过高(一般在190-220℃)的问题。ayhandemirbas(bioresourcetechnology，1998，(63)，179-185)研究甘油和添加氢氧化钠的碱性甘油对木片中木质素的去除效果，温度为165℃-225℃，发现氢氧化钠的加入可明显提高甘油的脱木质素能力。jellewildschut(bioresourcetechnology，2013(135)，58-66)研究了以乙醇为基础的有机溶剂预处理麦草，结果表明50％w/w的乙醇在210℃温度下可达到最高86％的葡萄糖转化率和84％的木质素得率；当添加30mm硫酸为催化剂，60％w/w的乙醇在190℃温度下处理可达到相似的处理结果。但这些方法仍存在反应温度较高，并在后续洗涤步骤中，木素较难洗净等缺点而有局限。纯有机溶剂脱木质素原理是在高温高压环境中有机溶剂对木质素的溶解能力增加，从而使木质素从原料中分离。其中大部分木素被溶剂物理溶出，具有较大的分子结构，当反应结束及洗涤冷却过程中，由于温度的降低导致溶剂溶解木质素的能力下降，使已溶出的木质素重新析出并吸附在纤维的表面，需在较高温度下用乙醇溶液洗涤才能将木素与纤维分离。农业秸秆资源化再利用的主要挑战在于，通过低成本、有效率的方法使木质素从原料中有效分离，同时使碳水化合物(纤维素和半纤维素的总和)损失率最小。技术实现要素：发明目的：本发明的目的是提供一种提高农业秸秆原料全组分利用率的方法，即首先利用添加剂为碱的低沸点有机溶剂预处理药剂对农业秸秆原料进行预处理；预处理后，将物料进行固液分离，固体部分为富含碳水化合物的物料，经纤维素酶液酶解可转化为可发酵性糖；液体部分通过酸析法可回收其中的木质素，可实现木质纤维原料的全组分高值化利用。为实现上述技术目的，本发明提出了一种提高农业秸秆原料全组分利用率的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选取待处理的农业秸秆原料，切割并粉碎；(2)配制添加剂为碱的低沸点有机溶剂预处理药剂，预处理农业秸秆，反应结束后真空抽滤使固液分离；(3)将上述(2)所得固体物料清洗后烘干；分析物料化学组分并计算得率和木质素去除率；用缓冲液调节ph，保持一定固液比，加入一定量纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的混合酶液进行酶解；酶解结束后加热煮沸对其中残存酶液灭活，制取获得酶解糖液，采用hplc测试酶解液中的糖含量；优选地，用ph值为4～5的乙酸-乙酸钠调节ph，酶解结束后加热煮沸10～15min对其中残存酶液灭活；(4)上述(2)所得滤液用旋转蒸发仪减压浓缩后，不断揽拌下调节ph为2～3，木质素析出，静置1h，抽滤，固体干燥后即得木质素。其中，步骤(1)中所述的原料为麦草秸秆、稻草秸秆、玉米秸秆中的任意一种，将所述农业秸秆原料使用人工或机械切成3～5cm的草片，使用粉碎机粉碎，使物料尺寸10～80目。步骤(2)中所述添加剂为碱的低沸点有机溶剂中，碱为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、氨中的任意一种或几种的混合物；有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮中的任意一种或几种的混合物。所述添加剂为碱的低沸点有机溶剂中，添加剂碱的质量分数为0.1％-8％，有机溶剂的体积分数10％-70％。优选地，添加剂碱的质量分数为１％，有机溶剂的体积分数50％。优选地，步骤(2)中所述的预处理条件为：固液比为1∶4～1∶12g/ml，反应温度为90℃～170℃，保温时间为1h-5h。更优选地，固液比1∶10g/ml，反应温度130℃，保温时间为3h。步骤(3)中，将上述(2)所得固体物料先用70-90℃去离子水洗两遍，再用室温去离子水洗至中性后40-60℃烘干。步骤(3)中所述的酶解条件如下：酶解固液比为1∶10～1∶40g/ml；酶用量是：纤维素酶25-40fpu/g，β-葡萄糖苷酶20-35cbu/g；酶解环境为：温度45-55℃，酶解时间12h-84h。优选的反应条件为：酶解固液比1∶40g/ml，纤维素酶30fpu/g，β-葡萄糖苷酶30cbu/g，酶解温度50℃，酶解时间72h。优选地，步骤(4)中所述的稀酸为盐酸、醋酸或者硫酸。优选地，优选地，用6m稀酸调节ph。有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明方法利用农业秸秆为原料，变废为宝，可充分利用生物质资源，保护生态环境，有利于实现可持续发展；(2)本发明方法预处理步骤中使用的药剂为低浓度碱和可回收再利用的低沸点有机溶剂，减少废物排放的同时有效降低生产成本，相对于现有的酸法预处理和离子液体等预处理方法，成本低，方法简单，对设备的腐蚀较小，并且在预处理过程中碱可与原料中的乙酰基和葡萄糖醛酸基等基团反应，有效减少糠醛、乙酸等发酵抑制物的产生；(3)本发明预处理步骤中，纤维素和半纤维素的降解率低，木质素去除率高。富含碳水化合物的物料经酶解后，糖转化率高；采用傅里叶红外光谱对回收木质素进行结构表征，结果表明其含有羟基、羰基、苯环、醚键等活性反应基团，具有较高的反应活性，在胶黏剂、薄膜、可生物降解聚合物材料中具有较大的应用前景，有利于实现农业秸秆原料的全组分高值化利用。同时，本发明在有机溶剂中添加碱性物质，碱性物质在预处理过程中可断裂木质素中部分化学键从而破坏木质素大分子结构，增加木质素在体系中的溶解度，在后续洗涤过程中用热水洗涤即可达到较好的洗涤效果。附图说明图1为本发明提高农业秸秆原料全组分利用率的方法的流程示意图；图2为酶解时间对总糖转化率的影响示意图；图3为回收木质素的红外谱图。具体实施方式本发明提出了一种提高农业秸秆原料全组分利用率的方法，流程图如图1所示，首先利用添加剂为碱的低沸点有机溶剂预处理药剂对农业秸秆原料进行预处理；预处理后，将物料进行固液分离，固体部分为富含碳水化合物的物料，经纤维素酶液酶解可转化为可发酵性糖；液体部分通过酸析法可回收其中的木质素，可实现木质纤维原料的全组分高值化利用。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下述实施例中中糖含量采用高效液相色谱(hplc)测定。色谱条件如下：色谱仪为agillent1100高效液相色谱，色谱柱是bio-radaminexhpx-87h，0.005mol/l硫酸为流动相，流速为0.6ml/min，柱温65℃，进样量为20μl，选用示差折光检测器，外标法测定。实施例1不同naoh质量分数的预处理和酶解选用麦草秸秆为原料，使用人工或机械切成3～5cm的草片，水洗风干后，使用粉碎机粉碎，标准筛筛分收集40～80目颗粒。选用氢氧化钠为添加剂，乙醇为有机溶剂，向体积分数为50％的乙醇溶液中加入一定质量的naoh，配置naoh的质量分数分别为0.2％、1％、1.8％的氢氧化钠-乙醇预处理药剂，固液比1∶10g/ml，反应温度为130℃，保温时间为3h，反应结束后真空抽滤进行固液分离。固体用大量超纯水洗至中性后40℃烘干。计算得率，分析物料化学组分。固体物料加入乙酸-乙酸钠缓冲液(ph＝4.8)保持固液比1∶40g/ml，加入30fpu/g纤维素酶和30cbu/gβ-葡萄糖苷酶，置于恒温培养振荡器中酶解糖化，转速为150r/min，温度50℃，酶解时间72h。反应结束后，将锥形瓶置于沸水浴中煮沸10min，对其中残存的纤维素酶灭活，采用高效液相色谱(hplc)测试酶解液中的糖含量。其物料得率、酸不溶木质素去除率和酶解总糖转化率见表1。其中，物料得率＝预处理后物料质量÷原料质量；酸不溶木质素去除率＝(原料中酸不溶木质素含量-预处理后物料中酸不溶木质素的量)÷原料中酸不溶木质素含量；酶解总糖转化率＝(酶解液中葡萄糖浓度×酶解液的体积×0.9+酶解液中木糖浓度×酶解液的体积×0.88)÷底物总糖含量。表1氢氧化钠添加量对木质素脱除率和酶解总糖转化率的影响氢氧化钠用量得率酸不溶木质素脱除率酶解总糖转化率0.2％86.19％7.59％46.39％1.0％63.30％76.11％89.33％1.8％58.75％78.59％82.59％从表1、图2和图3可知，添加剂的用量对酶解最终总糖转化率有显著影响。当碱添加量较小时，木质素去除效果不明显，总糖转化率较低。随着碱添加量的增大，物料得率降低，木质素去除率明显增大，可达到较高的酶解总糖转化率。其中1％的碱添加量达到的总糖转化率最高为89.33％。实施例2不同温度的预处理选用麦草秸秆为原料，使用人工或机械切成3～5cm的草片，水洗风干后，使用粉碎机粉碎，标准筛筛分收集40～80目颗粒。选用氢氧化钠为添加剂，乙醇为有机溶剂，配置氢氧化钠质量分数为1％，乙醇体积分数为50％的氢氧化钠-乙醇预处理药剂，固液比1∶10g/ml，反应温度分别为90℃和170℃，保温时间为3h，反应结束后真空抽滤进行固液分离。固体用大量超纯水洗至中性后40℃烘干。计算得率，分析物料化学组分。固体物料加入乙酸-乙酸钠缓冲液(ph＝4.8)保持固液比1∶40g/ml，加入30fpu/g纤维素酶和30cbu/gβ-葡萄糖苷酶，置于恒温培养振荡器中酶解糖化，转速为150r/min，温度50℃，酶解时间72h。反应结束后，将锥形瓶置于沸水浴中煮沸10min，对其中残存的纤维素酶灭活，采用高效液相色谱(hplc)测试酶解液中的糖含量。反应温度对物料得率、木质素去除率和酶解总糖转化率的影响见表2。表2温度对木质素脱除率和酶解总糖转化率的影响温度得率酸不溶木质素脱除率酶解总糖转化率90℃66.73％63.76％77.04％170℃59.57％96.80％81.08％表2显示，当碱用量保持不变时，随着反应温度的提高，木质素去除率增大。将其与实施例1所得结果相比可知，随着温度的升高，虽然木质素去除率增大，但总糖转化率并不是单一的上升变化，而是先增加后降低。当温度达170℃时，酸不溶木质素脱除率最大为96.80％，其木质素去除率大于130℃时的76.11％，但最后的总糖转化率却不是最大的。这主要由两方面原因导致的：一方面温度过高导致预处理阶段碳水化合物的降解增大；另一方面木素的高含量脱除，使得纤维大面积暴露出来，纤维与纤维之间由于存在着丰富的氢键，而使纤维之间彼此紧密结合，减少了后续酶解过程中纤维与酶的有效接触点，从而降低了酶解效率。实施例3不同种类碱性添加剂的预处理选用麦草秸秆为原料，使用人工或机械切成3～5cm的草片，水洗风干后，使用粉碎机粉碎，标准筛筛分收集40～80目颗粒。分别选用氢氧化钠、氢氧化钾和氨水为碱性添加剂，乙醇为有机溶剂，将碱加入体积分数为50％的乙醇溶液中，分别配置碱质量分数为1％的氢氧化钠、氢氧化钾和氨水的碱性乙醇预处理药剂，固液比1∶10g/ml，反应温度为130℃，保温时间为3h，反应结束后真空抽滤进行固液分离。固体用大量超纯水洗至中性后40℃烘干。计算得率，分析物料化学组分。固体物料加入乙酸-乙酸钠缓冲液(ph＝4.8)保持固液比1∶40g/ml，加入30fpu/g纤维素酶和30cbu/gβ-葡萄糖苷酶，置于恒温培养振荡器中酶解糖化，转速为150r/min，温度50℃，酶解时间72h。反应结束后，将锥形瓶置于沸水浴中煮沸10min，对其中残存的纤维素酶灭活，采用高效液相色谱(hplc)测试酶解液中的糖含量。其物料得率、酸不溶木质素去除率和酶解总糖转化率见表3。表3不同碱的预处理药剂对木质素脱除率和酶解总糖转化率的影响表3显示，以乙醇为有机溶剂添加不同碱性物质配置的碱醇预处理药剂的实施例中，氨水的预处理效果较差，仅能达到28.78％的木质素去除率，因大量木质素仍保留在物料中，故物料酶解效率并未明显提高；而氢氧化钾和氢氧化钠可以达到较好的脱木质素效果，麦草经氢氧化钾和氢氧化钠为碱添加剂的碱醇预处理药液作用后，其酶解总糖转化率明显提高。实施例4不同有机溶剂的预处理选用麦草秸秆为原料，使用人工或机械切成3～5cm的草片，水洗风干后，使用粉碎机粉碎，标准筛筛分收集40～80目颗粒。分别配置体积分数为50％的甲醇溶液和乙醇溶液，为做对比，同时做一组不加有机溶剂仅用水为溶剂的空白试验。1％氢氧化钠为碱添加剂。固液比1∶10g/ml，反应温度为130℃，保温时间为3h，反应结束后真空抽滤进行固液分离。固体用大量超纯水洗至中性后40℃烘干。计算得率，分析物料化学组分。固体物料加入乙酸-乙酸钠缓冲液(ph＝4.8)保持固液比1∶40g/ml，加入30fpu/g纤维素酶和30cbu/gβ-葡萄糖苷酶，置于恒温培养振荡器中酶解糖化，转速为150r/min，温度50℃，酶解时间72h。反应结束后，将锥形瓶置于沸水浴中煮沸10min，对其中残存的纤维素酶灭活，采用高效液相色谱(hplc)测试酶解液中的糖含量。其物料得率、酸不溶木质素去除率和酶解总糖转化率见表4。表4不同有机溶剂剂对木质素脱除率和酶解总糖转化率的影响预处理药剂得率酸不溶木质素脱除率酶解总糖转化率氢氧化钠水溶液61.84％70.53％67.74％氢氧化钠-甲醇62.87％82.75％92.06％氢氧化钠-乙醇63.30％76.11％89.33％从表4可看出，与碱性水溶液预处理药剂相比，甲醇和乙醇配制得碱性有机溶剂预处理药剂在达到更高的木质素脱除率和酶解总糖转化率的效果下，具有较高的物料得率。对物料进行化学组分分析可知，有机溶剂预处理所得物料中含有较高的碳水化合物。即碱性有机溶剂在达到较高的木质素脱除率的条件下对碳水化合物的降解作用较少。这主要可从以下两方面解释：一方面甲醇乙醇等醇类有机溶剂是碳水化合物的贫溶剂；另一方面，这类有机溶剂可使碳水化合物的还原性末端基异构化速度变缓，因而能抑制纤维素、半纤维素在碱性条件下的剥皮反应，使物料得率提高。这两方面的协同作用使碱性有机溶剂预处理药液对碳水化合物的降解有一定的抑制作用，从而可提高原料的利用效率。从表4中数据还可看出，甲醇预处理物料的酶解率较乙醇稍大，但考虑到甲醇较乙醇具有毒性，在产业化生产中易引发中毒等事故，故作为优选的，选择乙醇为有机溶剂。实施例5酶解时间对酶解率的影响选用麦草秸秆为原料，使用人工或机械切成3～5cm的草片，水洗风干后，使用粉碎机粉碎，标准筛筛分收集40～80目颗粒。选用氢氧化钠为催化剂，乙醇为有机溶剂，向体积分数为50％的乙醇溶液中加入一定质量的naoh，配置naoh的质量分数为1％的氢氧化钠-乙醇预处理药剂，固液比1∶10g/ml，反应温度为130℃，保温时间为3h，反应结束后真空抽滤进行固液分离。固体用大量超纯水洗至中性后40℃烘干。固体物料加入乙酸-乙酸钠缓冲液(ph＝4.8)保持固液比1∶40g/ml，加入30fpu/g纤维素酶和30cbu/gβ-葡萄糖苷酶，置于恒温培养振荡器中酶解糖化，转速为150r/min，温度50℃，酶解一定时间。探究酶解时间对总糖转化率的影响，结果见图2。实施例6回收木质素的提纯和红外检测原料采用麦草。130℃温度下用氢氧化钠质量分数为1％的碱性乙醇药剂预处理3h后，抽滤收集滤液，滤液用6m的hc1调节ph至2，析出固体，离心沉降回收得粗木质素，按照方法对粗木质素进行提纯，步骤如下：将粗木素溶于90％的乙酸溶液中，离心除去不溶杂质，将上层清液倒入大量去离子水中，析出固体离心分离并用大量去离子水洗涤至无乙酸气味；真空干燥后，将其溶解在1，2-二氯乙烷与乙醇体积比为2∶1的溶液中，离心除去不溶杂质后，加入乙醚析出固体，并用乙醚离心洗涤数遍，真空干燥后得提纯木质素。其红外光谱如附图3所示。对回收木质素的红外谱图特征峰进行归属：波数为3384cm-1处的峰为o-h伸缩振动产生的；2935cm-1、2840cm-1位置的峰为甲基、亚甲基和苯环上的甲氧基的c-h伸缩振动产生的；1703cm-1处的峰是由非共轭的酮和羧基中羰基伸缩振动产生的；1660cm-1是由共轭羰基伸缩振动产生的；1594cm-1、1515cm-1处的峰归属于木质素中的苯环骨架；1220cm-1处的峰是由芳醚中与苯环直接相连的c-o-c键伸缩振动产生的。1031cm-1、820cm-1处的峰是由苯环中c-h键振动产生的。据以上分析可以看出，本研究回收得到的木质素含有羟基、羰基、苯环、醚键等活性反应基团，具有较高的反应活性，有较大的应用前景。综上所述，本发明提出了一种碱为添加剂的低沸点有机溶剂的预处理方法，利用碱性物质具有较强的脱木质素能力，有机溶剂可加速药液的浸透同时增大木质素溶解度的原理下，选用易回收可重复利用的低沸点溶剂体系，先对农业秸秆预处理再酶解糖化的生物质精炼过程，以实现木质纤维原料的全组分高值化利用。研究发现碱与有机溶剂的组合使用，在较温和的条件下，不仅使木质素从原料中有效分离出来，同时对碳水化合物的降解有一定的抑制作用，有效提高了原料的利用率。本发明有两个特点：一是使用低沸点溶剂，预处理后废液经蒸发即可将有机溶剂回收循环利用，减少污染物排放的同时有效降低了投入成本，二是预处理过程使用的添加剂为碱，可以中和体系中乙酸、甲酸等小分子酶解抑制物，降低了后续处理工序的负担，并可有效提高物料的酶解糖化效率，是实现木质纤维原料的全组分高值化利用的关键步骤。除上述特点外，本发明还具有反应条件温和、木质素回收率高等优势，具有优良的产业化应用前景。当前第1页12