专利名称：一种提高木质纤维素酶解糖化效率的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高木质纤维素酶解糖化效率的预处理方法。
背景技术：
对能源的需求，化石资源的不确定性，和全球气候变化使寻找石油资源替代品的任务变得紧迫。用秸杆等农业废弃物生产纤维素乙醇以取代化石能源的使用，一方面可以减少二氧化碳的排放，另一方面可以减少石油等化石能源的消耗。如何提高从农业废弃物到乙醇的转化效率并且降低成本，是制约纤维素乙醇产业化的关键因素。纤维素乙醇上游工艺包括原料预处理、酶解糖化和发酵等环节。预处理过程在纤维素乙醇生产的上游过程中占大部分成本，并且对乙醇产率有至关重要的作用。预处理使木质纤维素在常温或高温下与催化剂反应，使纤维素、半纤维素与木质素等木质纤维素原料的复杂结构能够得到分解，使纤维素酶更容易与纤维素接触。预处理的方法有很多种，其中有一种为稀酸预处理。稀酸预处理往往需要在较高的温度 (160-200°C )下，才能有效地破坏木质纤维素的结构，溶解半纤维素，才能得到较高的酶解转化率，这就要求高成本的设备和较高的能量进行反应，并且产生的发酵抑制物明显增加。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种提高木质纤维素酶解糖化效率的方法。本发明的技术方案具体步骤如下(I)将木质纤维素材料剪切或者粉碎，使粒径小于1cm，加入乙醇、硫酸和水混合， 使混合物中木质纤维素材料的质量浓度为10% _20%，乙醇质量浓度为50% -80%，硫酸质量浓度为1% _2%，在耐高温高压的密闭反应器内加热至120-160°C，进行预处理，反应时间为10-60min，得到混合物；(2)将得到的固液混合物用碱中和，用滤布过滤，或5000rpm离心5min，将固液分离，将液体蒸馏，蒸出的组分为可循环使用的乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；(3)将固体干燥后，加入纤维素酶和水，其中固体与水的质量比为I : 6-29. 5，固体与纤维素酶的比例为Ig 4. 5FPU-36FPU，用IM的柠檬酸钠缓冲液将pH调至4. 6-5. 0， 在48-52°C条件下酶解24-168h，再固液分离后得到的液体为富含葡萄糖的溶液。所述的木质纤维素材料为玉米秸杆、小麦秸杆、水稻秸杆、高粱秸杆、玉米芯或甘蔗渣。所述步骤(I)中乙醇的质量含量为60% -70%。所述步骤(I)中所述温度是加热至130-150°c。所述步骤(I)中所述预处理反应时间为30_50min所述碱为NaOH水溶液、KOH水溶液、Ca (OH) 2水溶液或氨水。
所述酶解时间为48_72h。本发明具有如下优点(I)预处理温度比较低，对设备的要求低，能耗低；(2)预处理得到的固体半纤维素和木质素含量很低，酶解后葡萄糖转化率高；(3)使用的乙醇可以回收，循环使用；(4)所得糖液中发酵抑制剂明显比现有技术普通稀酸预处理的要少。
图I为木质纤维素材料和预处理后固体中主要成分含量的比较。图2为木质纤维素材料、预处理后及相同条件下普通稀酸预处理后固体中葡萄糖和木糖酶解转化率的比较。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进一步说明实施例I(I)将含水量为8%的水稻秸杆用小型粉碎机粉碎，使粒径小于2mm，取108. 7g物料装入IL带密封盖的玻璃瓶中，加入375. 9mL蒸馏水，550mL无水乙醇和10. 8mL 98%硫酸，放入立式压力蒸汽灭菌锅中加热至120°C进行预处理反应，反应时间60min，得到混合物；(2)将得到的预处理后的固液混合物用IMNaOH水溶液中和至中性，然后用8层纱布过滤，液体在45°C下悬蒸得到回收的乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；(3)将固体在45°C下烘干，图I为水稻秸杆(木质纤维素材料，图I中标注为预处理前)和预处理后固体中主要成分含量的比较，预处理后葡聚糖的含量高，木聚糖和木质素的含量均低。取25g干燥的固体加入500mL锥形瓶，并加入10. ImL纤维素酶Spezyme CP (Genecor，酶活为35FPU/mL)和155mL水，加入IM柠檬酸钠缓冲液使pH = 4. 8，在50°C， 250rpm摇床中酶解反应72h，固液混合物在5000rpm下离心5min，得到酶解液为富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖浓度为54g/L，葡萄糖酶解转化率为72%。图2为水稻秸杆(木质纤维素材料，图2中标注为未预处理)、预处理后及相同条件下普通稀酸预处理(108. 7g物料，
10.8mL 98%硫酸和880mL蒸馏水，温度120°C，反应时间60min，酶解过程与本实施例相同) 后固体中葡萄糖和木糖酶解转化率的比较。实施例2(I)将含水量为7%的玉米秸杆用小型粉碎机粉碎，使粒径小于1mm，取10. 7g物料装入150mL不锈钢反应管中，加入38. 3mL蒸懼水,55mL无水乙醇和0. 54mL 98%硫酸,放入油浴中进行反应，温度150°C，反应时间30min，得到混合物；(2)将得到的固液混合物用IMNaOH中和至中性，然后用8层纱布过滤，液体在 45 0C下悬蒸得到回收的乙醇和富含五碳糖的溶液；(3)将固体在45°C下干燥后，取20g干燥的固体加入500mL锥形瓶，并加入10. 7mL 纤维素酶Spezyme CP (Genecor，酶活为35FPU/mL)和160mL水，加入IM柠檬酸钠缓冲液使pH = 4. 8，在50°C，250rpm摇床中反应72h，固液混合物在5000rpm下离心5min，得到酶解液为富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖浓度为63g/L，葡萄糖酶解转化率为84%。实施例3(I)将小麦秸杆剪切，使粒径小于1cm，加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中小麦秸杆的质量浓度为20%，乙醇质量浓度为80%，硫酸质量浓度为2%，在耐高温高压的密闭反应器内加热至160°C，进行预处理，反应时间为30min，得到混合物；(2)将得到的固液混合物用IMNaOH水溶液中和，用滤布过滤，将固液分离，将液体蒸馏，蒸出的组分为可循环使用的乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；(3)将固体干燥后，加入纤维素酶和水，其中固体与水的质量比为I : 29. 5，固体与纤维素酶的比例为Ig 4. 5FPU，用IM的柠檬酸钠缓冲液将pH调至4.6，在52°C条件下酶解168h，再固液分离后得到的液体为富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖浓度为8. 2g/L，葡萄糖酶解转化率为92%。实施例4(I)将高粱秸杆剪切，使粒径小于0. 5cm,加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中高粱秸杆的质量浓度为15%，乙醇质量浓度为70%，硫酸质量浓度为2%，在耐高温高压的密闭反应器内加热至150°C，进行预处理，反应时间为lOmin，得到混合物；(2)将得到的固液混合物用IM KOH水溶液中和，用滤布过滤，将固液分离，将液体蒸馏，蒸出的组分为可循环使用的乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；(3)将固体干燥后，加入纤维素酶和水，其中固体与水的质量比为I : 25，固体与纤维素酶的比例为Ig 9FPU，用IM的柠檬酸钠缓冲液将pH调至5. O，在48°C条件下酶解 120h，再固液分离后得到的液体为富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖浓度为15g/L，葡萄糖酶解转化率为88%。实施例5(I)将玉米芯粉碎，使粒径小于1mm，加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中玉米芯的质量浓度为18%，乙醇质量浓度为60%，硫酸质量浓度为I. 5%，在耐高温高压的密闭反应器内加热至130°C，进行预处理，反应时间为50min，得到混合物；(2)将得到的固液混合物用IM 0&(011)2水溶液中和，5000印111离心51^11，将固液分离，将液体蒸馏，蒸出的组分为可循环使用的乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；(3)将固体干燥后，加入纤维素酶和水，其中固体与水的质量比为I : 12，固体与纤维素酶的比例为Ig 24FPU，用IM的柠檬酸钠缓冲液将pH调至4. 6，在49°C条件下酶解 24h，再固液分离后得到的液体为富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖浓度为34g/L，葡萄糖酶解转化率为89%。实施例6(I)将甘蔗渣粉碎，使粒径小于5mm，加入乙醇、硫酸和水混合，使混合物中甘蔗渣的质量浓度为12%，乙醇质量浓度为80%，硫酸质量浓度为2%，在耐高温高压的密闭反应器内加热至140°C，进行预处理，反应时间为30min，得到混合物；(2)将得到的固液混合物用25%氨水中和，5000rpm离心5min，将固液分离，将液体蒸馏，蒸出的组分为可循环使用的乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；
(3)将固体干燥后，加入纤维素酶和水，其中固体与水的质量比为I : 6，固体与纤维素酶的比例为Ig 36FPU，用IM的柠檬酸钠缓冲液将pH调至4.8，在50°C条件下酶解 48h，再固液分离后得到的液体为富含葡萄糖的溶液，其中葡萄糖浓度为77g/L，葡萄糖酶解转化率为72%。
权利要求
1.一种提高木质纤维素酶解糖化效率的方法，其特征包括下述步骤(1)将剪切或者粉碎后的木质纤维素材料、乙醇、硫酸和水混合，使混合物中木质纤维素材料的质量含量为10% -20%,乙醇的质量含量为50% -80%，硫酸的质量含量为 1% -2% ;在耐高温高压的密闭反应器内加热至120-160°C，预处理反应10-60min，得到混合物；(2)将得到的混合物用碱中和，固液分离，将液体蒸馏，蒸出的组分为乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；将固体干燥，加入纤维素酶和水，所述固体与水的质量比为 I 6-29. 5，固体与纤维素酶的比例为 Ig 4. 5FPU-36FPU，调 pH = 4. 6-5. 0，在 48-52°C条件下酶解24-168h，再固液分离后得到的液体为富含葡萄糖的溶液。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述的木质纤维素材料为玉米秸杆、小麦秸杆、水稻稻杆、闻粱稻杆、玉米芯或甘鹿洛。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述步骤(I)中乙醇的质量含量为 60% -70%。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述步骤⑴中所述温度是加热至 130-150°C。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述步骤(I)中所述预处理反应时间为 30_50mino
6.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述碱为NaOH水溶液、KOH水溶液、Ca(OH)2 水溶液或氨水。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征是所述酶解时间为48-72h。
全文摘要
本发明公开了一种提高木质纤维素酶解糖化效率的方法，步骤是将剪切的木质纤维素材料、乙醇、硫酸和水混合，在耐高温高压的密闭反应器内加热，预处理反应，得到混合物；将得到的混合物用碱中和，固液分离，将液体蒸馏，蒸出的组分为乙醇，留在蒸馏器中的液体为富含五碳糖的溶液；将固体干燥，加入纤维素酶和水，调pH，酶解，再固液分离后得到的液体为富含葡萄糖的溶液。本发明的优点是预处理温度比普通的稀酸预处理低；预处理得到的固体中半纤维素和木质素含量低，酶解后葡萄糖转化率高；使用的乙醇可以回收，循环使用；所得糖液中发酵抑制剂比普通稀酸预处理少。
文档编号C12P19/14GK102605020SQ20121009431
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者元英进, 刘志华, 李炳志, 秦磊 申请人:天津大学