一种机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法
【专利摘要】本发明属于生物质能源技术领域，具体是一种机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法。一种机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤：原料前处理、机械活化处理、木质素洗脱和纤维素糖化。本发明的方法可改变木质素性质，降低其对纤维素酶的无效吸附；破坏木质纤维结构，降低纤维素结晶度，提高木质纤维的化学反应活性和酶对纤维素的可及性，本方法具有不需要高温高压，酶解时间短，能耗低，对设备无腐蚀，不产生对后续发酵阶段有毒害作用物质等优点。
【专利说明】
-种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化 方法
技术领域
[0001] 本发明属于生物质能源技术领域，具体是一种机械活化协同氨氧化巧固相强化木 质纤维原料的糖化方法。
【背景技术】
[0002] 化石燃料有不可再生、燃烧导致环境污染等缺点，生物乙醇是理想的化石燃料替 代品。木质纤维原料可用于生物乙醇生产。但是因为木质纤维原料由纤维素、半纤维素和木 质素组成，结构致密，高结晶度，纤维素糖化酶难W作用于未经预处理的木质纤维原料。使 用木质纤维原料生产生物乙醇需要经过:降低木质素含量、改变木质素性质、破坏木质纤维 致密结构、降低纤维素结晶度、增加糖化酶对纤维素和半纤维素的可及性为目标的预处理 过程。
[0003] 目前，对木质纤维进行活化预处理的主要方法有：（1)物理法。主要采用机械粉碎、 微波、超声波、高能电子福射等对木质纤维进行处理，运些方法可使原料结构松散，结晶区 中分子间氨键断裂，结晶度降低，从而提高木质纤维的化学反应活性或糖化活性；（2)化学 法。主要采用无机酸、碱和有机溶剂对木质纤维进行预处理，使纤维素、半纤维素和木质素 吸胀并破坏其结晶性，促进纤维素的溶解、降解，提高其可及度；（3)物理-化学法。主要综合 物理法和化学法的长处，弥补其不足，如蒸汽预处理、热解预处理和蒸爆预处理等；（4)生物 法。生物法预处理技术就是利用某些微生物对木质纤维素进行预处理，达到提高木质纤维 素反应活性的效果；（5)组合处理法。主要综合两种或两种W上的不同预处理方法，取长补 短，W期达到理想的预处理效果。总体上看，W上方法各有优势，但也有一定的局限性，如机 械粉碎处理方法简单，但能耗高;微波、超声波等处理时间短，操作简单，但设备费用较高， 并且难W进行大规模工业化生产;化学法是常用的较为有效的方法，但存在着试剂的回收、 中和、洗涂问题，降解过程损失相当数量的纤维素。有机溶剂虽然易于回收，但又存在腐蚀 和毒性等问题的限制，并且耗费大量化工原料，造成环境污染，难W获得规模化生产的实用 价值;蒸汽爆破法的优点是能耗低，可W间歇也可W连续操作，但蒸汽爆破操作设及高压装 备，投资成本较高。连续蒸汽爆破的处理量较间歇式蒸汽爆破法有所增加，但是装置更复 杂，投资成本大为增加;生物法预处理技术具有能耗低，无污染，条件溫和等优点，但同时又 存在处理时间长而造成的生产周期长，且菌体会利用部分纤维素与半纤维素，使原料的水 解得率降低等不足，因而距实现大型工业化生产还有一定距离；组合法可综合不同预处理 方法的优点，但如果仅是简单的效果叠加，不仅没有优势，而且会造成整个流程过长，处理 成本增加。因此，寻找绿色、经济、简单的预处理技术便成为许多研究者的追求目标。
[0004] 机械活化是指固体物质在受到摩擦、碰撞、冲击、剪切等强机械力的作用时，可破 坏天然高分子聚合物的高稳定性有序结构，使其颗粒粒度减小，比表面积增大，结晶度降 低，分子内和分子间的氨键产生大量的活性径基，进而显著提高木质纤维素的反应活性。机 械活化法缺点是能耗高，无法消除木质素对纤维素酶的无效吸附，单独机械活化效果不佳。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤 维原料糖化方法，加入氨氧化巧与机械活化协同固相强化作用于木质纤维原料(碱皂化木 质素与半纤维素之间的醋键），改变木质素性质从而降低其对纤维素酶的无效吸附，降低结 晶度，提高酶对纤维素的可及性。本方法具有不需要高溫高压，酶解时间短，能耗低，对设备 无腐蚀，不产生对后续发酵阶段有毒害作用物质，氨氧化巧价格低廉易得等优点。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：
[0007] -种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤： [000引（1)原料前处理:先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量5-30 % ;粉碎至40- 100目，得到处理好的木质纤维原料；
[0009] (2)机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒溫20-80 °C下，转速为100-50化pm，球磨30-90min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末；
[0010] (3)木质素洗脱：将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的碱 后，用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料；
[0011] (4)糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行 糖化，即得到木质纤维原料糖化液。
[0012] 作为优选，步骤(2)中碱的用量占木质纤维原料重量的1-20%。
[0013] 作为优选，所述的木质纤维原料为甘薦渣或木馨酒糟。
[0014] 作为优选，所述的碱为氨氧化巧。
[0015] 作为优选，步骤(3)中所述的酸为肥1或HN03。
[0016] 作为优选，步骤(4)中所述糖化的条件为:纤维素酶的用量8-20FPU/g底物;糖化时 间10-4化;糖化溫度25-55°(：;糖化抑4.0-6.0。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
[0018] 1.本发明的方法加入氨氧化巧与机械活化固相协同强化作用于木质纤维原料，氨 氧化巧皂化木质素与半纤维素之间的醋键，改变木质素性质、降低其对纤维素酶的无效吸 附，降低纤维素的结晶度，提高木质纤维原料的化学反应活性和酶对纤维素的可及性，而且 本方法可减少纤维素酶用量，降低预处理成本，可缩短酶解糖化时间，缩短生产周期。
[0019] 2.本发明的方法具有固相强化，反应体积小的优点，可减轻后续处理压力。
[0020] 3.本发明的方法具有不需要高溫高压，不腐蚀设备等优点。不产生对后续发酵阶 段有毒害作用的甲酸、慷醒、5-径甲基慷醒等抑制物。
[0021] 4.本发明用到氨氧化巧相较于其它碱廉价易得，可降低生产成本。
[0022] 5.本发明分别研究机械活化固相单独作用、氨氧化巧固相单独作用、机械活化和 氨氧化巧固相协同作用对木质纤维原料的物理化学性质和糖化性能的影响规律，弄清氨氧 化巧作用下机械活化对纤维素的作用方式和原理，达到缩短预处理时间并有效提高纤维素 可及度和糖化活性的目的。运将进一步丰富木质纤维原料预处理技术的理论知识，对促进 木质纤维原料的深度开发利用有着十分深远的意义。
[0023] 6.本发明的方法也可为其它生物质资源的开发利用提供基础数据和理论基础，运 不仅有很高的学术价值和技术指导意义，而且具有重要的社会和经济效益。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例，对本发明作进一步详细的阐述，但本发明的实施方式并不 局限于实施例表示的范围。
[00巧]实施例1:
[0026] -种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤：
[0027] (1)原料前处理:先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量5%;粉碎至40目， 得到处理好的木质纤维原料;所述的木质纤维原料为甘薦渣；
[00%] (2)机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒溫20°C 下，转速为l(K)rpm，球磨30min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末;碱的用量占木 质纤维原料重量的1 % ;所述的碱为氨氧化巧；
[0029] (3)木质素洗脱:将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的氨氧 化巧后，再用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料;所述的酸为HC1;
[0030] (4)糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行 糖化，即得到木质纤维原料糖化液;所述糖化的条件为:纤维素酶的用量8FPU/g底物;糖化 时间1 Oh;糖化溫度25 °C ;糖化抑4.0。
[0031] 实施例2:
[0032] -种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤：
[0033] (1)原料前处理：先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量30%;粉碎至100 目，得到处理好的木质纤维原料;所述的木质纤维原料为甘薦渣；
[0034] (2)机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒溫80°C 下，转速为5(K)rpm，球磨90min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末;碱的用量占木 质纤维原料重量的20% ;所述的碱为氨氧化巧；
[0035] (3)木质素洗脱:将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的氨氧 化巧后，再用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料;所述的酸为HN03 ;
[0036] (4)糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行 糖化，即得到木质纤维原料糖化液;所述糖化的条件为:纤维素酶的用量20FPU/g底物;糖化 时间40h;糖化溫度55 °C ;糖化抑6.0。
[0037] 实施例3:
[0038] -种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤：
[0039] (1)原料前处理:先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量20 % ;粉碎至80目， 得到处理好的木质纤维原料;所述的木质纤维原料为甘薦渣；
[0040] (2)机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒溫40°C 下，转速为3(K)rpm，球磨60min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末;碱的用量占木 质纤维原料重量的15% ;所述的碱为氨氧化巧；
[0041] (3)木质素洗脱:将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的氨氧 化巧后，再用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料;所述的酸为HC1;
[0042] (4)糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行 糖化，即得到木质纤维原料糖化液;所述糖化的条件为:纤维素酶的用量15FPU/g底物;糖化 时间30h;糖化溫度50 °C ;糖化抑5.0。
[00创 实施例4:
[0044] 一种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤:
[0045] (1)原料前处理:先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量5%;粉碎至40目， 得到处理好的木质纤维原料;所述的木质纤维原料为木馨酒糟；
[0046] (2)机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒溫20°C 下，转速为l(K)rpm，球磨30min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末;碱的用量占木 质纤维原料重量的5% ;所述的碱为氨氧化巧；
[0047] (3)木质素洗脱:将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的氨氧 化巧后，再用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料;所述的酸为HC1;
[0048] (4)糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行 糖化，即得到木质纤维原料糖化液;所述糖化的条件为:纤维素酶的用量8FPU/g底物;糖化 时间1 Oh;糖化溫度25 °C ;糖化抑4.0。
[0049] 实施例5:
[0050] 一种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤:
[0051] (1)原料前处理：先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量30%;粉碎至100 目，得到处理好的木质纤维原料;所述的木质纤维原料为木馨酒糟；
[0052] (2)机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒溫80°C 下，转速为5(K)rpm，球磨90min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末;碱的用量占木 质纤维原料重量的20% ;所述的碱为氨氧化巧；
[0053] (3)木质素洗脱:将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的氨氧 化巧后，再用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料;所述的酸为HN03 ;
[0054] (4)糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行 糖化，即得到木质纤维原料糖化液;所述糖化的条件为:纤维素酶的用量20FPU/g底物;糖化 时间40h;糖化溫度55 °C ;糖化抑6.0。
[00巧]实施例6:
[0056] 一种机械活化协同氨氧化巧固相强化木质纤维原料的糖化方法，包括如下步骤:
[0057] (1)原料前处理:先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量20 % ;粉碎至80目， 得到处理好的木质纤维原料;所述的木质纤维原料为木馨酒糟；
[0058] (2)机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒溫40°C 下，转速为3(K)rpm，球磨60min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末;碱的用量占木 质纤维原料重量的10% ;所述的碱为氨氧化巧；
[0059] (3)木质素洗脱:将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的氨氧 化巧后，再用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料;所述的酸为HC1;
[0060] (4)糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行 糖化，即得到木质纤维原料糖化液;所述糖化的条件为:纤维素酶的用量15FPU/g底物;糖化 时间30h;糖化溫度50 °C ;糖化抑5.0。
[0061] 分别将实施例1-6得到的木质纤维原料样品，测定结晶度，并分别将实施例1-6得 到的木质纤维素原料样品糖化液，经HPLC分析测定其还原糖含量，计算糖化率，见表1。
[0062] 其中，结晶度的测定方法为:采用XRD分析，用X射线衍射仪对不同处理条件的木质 纤维素样品制片，进行结晶结构表征。测试参数:工作电压为40kV，工作电流为40mA，扫描速 度为8° -min-i，巧慢范围为5-40°。
[0063] 糖化率计算公式如下：
[0064]
[0065] 表1本发明的方法得到木质纤维原料样品及糖化液的性能测定
[0066]
[00
[0068] 注:对照为步骤（1)中在木质纤维素中不加入氨氧化巧，不采用机械活化木质纤维 素的操作，其它操作相同。
[0069] 从表1可W看出，本发明实施例1-6分别得到的木质纤维原料的糖化液的结晶度均 明显低于对照;糖化率均为对照的5.4倍W上，且本发明的方法没有产生对糖化酶活力有抑 制作用的5-径甲基慷醒。
[0070] 前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。运些描述 并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可W进行很多改变 和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应 用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案w及 各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
【主权项】
1. 一种机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法，其特征在于，包括 如下步骤： (1) 原料前处理:先除去木质纤维原料中的杂质，干燥至含水量5-30% ;粉碎至40-100 目，得到处理好的木质纤维原料； (2) 机械活化处理:将前处理好的木质纤维原料与碱置于球磨机中，在恒温20-80°C下， 转速为100-500rpm，球磨30-90min后，球料分离，得到活化后的木质纤维素粉末； (3) 木质素洗脱:将活化后的木质纤维素粉末放入清洗器中，用酸中和难溶的碱后，再 用水洗脱，得到洗脱后的木质纤维原料； (4) 糖化:将洗脱后的木质纤维原料中加水，用硫酸调节pH值，加入纤维素酶进行糖化， 即得到木质纤维原料糖化液。2. 根据权利要求1所述的机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法， 其特征在于，步骤(2)中碱的用量占木质纤维原料重量的1-20%。3. 根据权利要求1所述的机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法， 其特征在于，所述的木质纤维原料为甘蔗渣或木薯酒糟。4. 根据权利要求1所述的机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法， 其特征在于，所述的碱为氢氧化钙。5. 根据权利要求1所述的机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法， 其特征在于，步骤(3)中所述的酸为HC1或HN〇3。6. 根据权利要求1所述的机械活化协同氢氧化钙固相强化木质纤维原料的糖化方法， 其特征在于，步骤(4)中所述糖化的条件为:纤维素酶的用量8-20FPU/g底物;糖化时间10-40h;糖化温度25-55 °C ;糖化pH 4 · 0-6 · 0。
【文档编号】C12P19/14GK106047962SQ201610387262
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】杨梅, 张燕娟, 黄祖强, 伍娟, 覃杏珍, 沈芳, 冯振飞, 黄爱民, 胡华宇, 覃宇奔
【申请人】广西大学