本发明涉及纤维原料酶解方法领域，具体提供一种利用酸性盐预处理提高纤维素酶解得率的方法。
背景技术：
目前，随着全球石油、煤炭等化石能源的加剧消耗，能源短缺以及环境污染等问题日益严重，环境友好型和可持续发展型的生物质能源受到人们的广泛关注。以木质纤维素为原料的第二代生物乙醇是最具有发展前景的一类生物质能源，其具有原料来源广、成本低和不与人类争粮食的优点，目前已实现工业化生产。然而，木质纤维原料结构紧密，对酶和微生物具有较强的“阻抗性”，因此很难直接对原料进行酶解和生物质转化，必须要采用预处理对木质纤维原料进行处理，以达到酶解要求，提高酶解得率。因此，寻求一种高效、节能、环保的预处理工艺是非常有必要的。
在木质纤维原料系统中，半纤维素嵌入纤维束之间将纤维束之间紧密地结合在一起，并被木素包裹其中，对酶和纤维素的结合起着阻碍作用。去除原料中的半纤维素和木素，打破半纤维素与纤维素之间的连接，更大限度的分解出纤维素，能够提高纤维素对酶的可及度。因此，在生物质乙醇的生产过程中，对木质纤维原料进行预处理，除去半纤维素和木素，降低原料结晶度，使原料结构变为疏松，增加处理面积，有利于提高后续工艺的酶解糖化得率。
稀酸预处理是一种常见的预处理方法，然而，该预处理方法存在一些缺点。一方面，稀酸预处理多在高温或加压条件下进行，设备需要使用非常昂贵的耐腐蚀材料，并且热酸处理对纤维素也有一定的降解能力，从而引起纤维素组分的损失；另一方面，酸处理所产生的五碳糖在高温高压条件下会进一步降解成醛，六碳糖则会生成5-羟甲基糠醛，糠醛和5-羟甲基糠醛会进一步行成甲酸，单糖的继续降解不仅降低了最后的糖化得率，而且甲酸和糠醛等副产物会对后续的发酵过程产生抑制，需要用大量的石灰中和或离子交换等方法进行脱毒处理，或者筛选一些能抗毒性的乙醇发酵菌，这极大的增加了整个工艺的成本。
现有技术研究结果表明，采用酸性盐预处理草本原料，如玉米秸秆，可实现预处理玉米秸秆的高效纤维素酶解反应效率，显著提高半纤维素的脱除率的同时，对纤维素有一定的保护作用，减少其降解程度。前期研究结果发现不同酸性盐包括nacl、kcl、cacl2、mgcl2、fecl2、feso4、fecl3和fe2(so4)3作为催化剂对玉米秸秆进行预处理，mgcl2和fecl3的存在会显著提高半纤维素的降解(>90％)，同时保证非常低的纤维素损失，控制在10％以内。同样，在对芒草秸秆的预处理过程中，mg2+可以提高半纤维素的脱除率同时增加纤维素酶解得率。然而，针对于木质纤维原料，mgcl2预处理后的纤维素酶水解得率仍处于较低水平，另外，cl-离子对设备具有严重腐蚀作用，因此，提高木质纤维原料的纤维素酶解性能，建立高效预处理方法成为亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明是针对现有的木质纤维原料预处理技术酶解得率低，对设备要求高和运行费用高等问题，提供一种利用酸性盐预处理提高纤维素酶解得率的方法，具体提供一种纤维素高效酶解糖化并获得高浓度还原糖的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提高纤维素酶解得率的方法,其特点是使用酸性盐溶液对纤维原料进行预处理。
进一步的，本发明方法包括以下步骤：
s1.使用酸性盐溶液对纤维原料进行预处理，固液分离得到纤维残渣；
s2.纤维残渣干燥粉碎后，经酶解反应、灭活处理，过滤得到酶解液。
所述酸性盐溶液可以是任意一种小分子有机酸的碱金属盐溶液或碱土金属盐溶液，如甲酸钙、柠檬酸钠等，优选为nach3cooh、ca(ch3cooh)2或mg(ch3cooh)2水溶液。
预处理过程中纤维原料与酸性盐溶液的固液比优选为1:(4-9)，更为优选的是1:(5-7)。酸性盐溶液的质量百分比浓度为优选5％-10％。
预处理的处理温度优选为160-190℃，更为优选的是180-190℃；处理时间优选为10-60min，更为优选的是10-30min；ph值优选为2-7，更为优选的是ph值3-5，可以采用与酸性盐对应的有机酸对预处理液进行ph值调节。
步骤s2中，纤维残渣风干后磨粉，得到用于酶解的粉体，粉体粒度优选为40-60目。
酶解反应所用酶优选为纤维素酶和/或纤维二糖酶。相对于用于酶解的粉体绝干质量，纤维素酶的用量优选为20-60fpu/g，纤维二糖酶用量优选为10-50fpu/g。更为优选的，纤维素酶的用量为20-40fpu/g，纤维二糖酶用量优选为10-30fpu/g。
作为优选，酶解反应在柠檬酸和柠檬酸钠溶液构成的缓冲溶液中，震荡条件下进行，ph值优选为4-5.5，温度优选为40-60℃，震荡速度优选为130-170r/min。
步骤s2酶解反应结束后，优选在90℃水浴中进行5-20min灭活处理，并且可采用现有技术中任意一种过滤技术对灭活后的悬浮液进行过滤处理，如采用真空过滤器分离。
本发明所述纤维原料为草木纤维原料和/或木质纤维原料，如麦草、玉米秸秆、桉木、杨木等。
和现有技术相比，本发明的提高纤维素酶解得率的方法具有以下突出的有益效果：
(一)首次提出利用小分子有机酸的碱金属盐溶液或碱土金属盐溶液预处理提高纤维素酶解糖化得率的方法，首先利用酸性盐对纤维原料进行预处理，得到纤维素，然后对纤维素进行酶解得到还原性可发酵单糖。可利用底物纤维素中的酸性盐金属离子促进酶解过程，提高还原糖得率，从而更好地进行发酵生产生物乙醇，产生环境效益和经济效益，为开发利用生物质能源奠定有力的基础；
(二)与目前生产中大量采用的盐酸盐对木质纤维原料进行预处理来提高酶解效率的方法相比，本发明采用腐蚀性较小的乙酸盐进行预处理反应，采用相对应的酸进行反应过程中ph值的调节，避免了cl离子进入系统，可以降低反应过程中对设备的腐蚀，降低设备投入及维护成本；
(三)阔叶木纤维原料中的乙酰基团含量较高(3-5％)，预处理过程中会发生脱乙酰化反应生成乙酸等副产物，因而该预处理体系不会引入除盐离子之外的附加离子。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本发明实施例中：
所用木质纤维原料的尺寸为长15-25mm，宽5-15mm，厚3-5mm，风干后水分含量为7％，纤维素含量40-50％，半纤维素含量20-30％，木素含量15-20％。
所述草本纤维原料长度为30-50mm，纤维素含量30-45％，半纤维素含量15-20％，木素含量10-20％，灰分含量5-15％。
酶解后葡萄糖得率(％)＝[(酶解液中葡萄糖浓度g/l*0.9*酶解液体积l)/(底物绝干重g*纤维素含量)]*100％，式中0.9为葡萄糖浓度与纤维素浓度的转换系数。
实施例1：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸镁溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至160℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为35.8％。
实施例2：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸镁溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至170℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为45.6％。
实施例3：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸镁溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至180℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为75.9％。
实施例4：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸镁溶液(按绝干原料计)，用硫酸调节溶液ph值为3，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至180℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为84.5％，预处理后的纤维素损失率为10％。
实施例5：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸镁溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至190℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为89％，预处理后的纤维素损失率为7.74％。
实施例6：
如实施例5，所不同的是原料为桉木。计算葡萄糖得率为86.9％。
实施例7：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为10％乙酸镁溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至190℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为92.3％，预处理后的纤维素损失率为16％。
实施例8：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸钙溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至190℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为85.2％。
实施例9：
如实施例8，所不同的是预处理中乙酸钙用量为10％(按绝干原料计)。计算葡萄糖得率为88％。
实施例10：
采用杨木为原料，准确称取50.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸钠溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至190℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为50.1％。
实施例11：
采用麦草为原料，准确称取20.0g绝干物料于钢罐反应釜中，按照1:6的固液比加入浓度为5％乙酸镁溶液(按绝干原料计)，用乙酸调节溶液ph值为4.5，搅拌均匀后密封，放入蒸煮器中加热至190℃后保温20min，立即取出反应釜至于流动冷水中冷却以终止反应。用去离子水将物料残渣洗涤3次至洗涤液呈中性为止。
纤维残渣风干后磨粉至40-60目，称取2.0g粉体置于250ml锥形瓶中，加入30fpu/g的纤维素酶和20cbu/g纤维二糖酶，加入一滴乙酸乙酯用于防止水解过程中杂菌和微生物产生，加入100ml的0.1mol/l的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(ph＝4.8)，150r/min震荡条件下进行酶解反应。反应结束后，将锥形瓶置于90℃水浴中10min，对其中残存的纤维素酶灭活，然后将酶解悬浮液采用真空过滤器分离，用dns显色法对酶解液中的葡萄糖含量进行测定，计算葡萄糖得率为90％。
实施例12：
如实施例11，所不同的是原料为玉米秸秆。计算葡萄糖得率为92％。