一种提高甘草渣酶解效率的方法

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1.本发明涉及有机固体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种提高甘草渣酶解效率的方法。


背景技术：

2.目前，中药业在我国蓬勃发展，其生产加工过程产生的中药渣呈逐步增加趋势，每年排放量约有6000～7000万吨。传统的中药渣大多采用废弃、填埋以及焚烧等方法处理，造成了资源浪费和环境污染问题。中药渣作为生物质的一种，其含有丰富的纤维素、半纤维素等多糖以及木质素组分，可被转化为燃料和高附加值能源产品。
3.生物质转化燃料乙醇一般需要经过预处理、酶水解和发酵过程。预处理主要目的是打破原料致密复杂的结构，对后续酶水解至关重要。现有预处理方法往往需要比较苛刻的反应条件，如高温、高压，或需要强酸、强碱试剂，才能破坏木质纤维素的紧密结构，去除木质素的包围，使纤维素成分暴露出来，用于后续的酶解发酵制备燃料乙醇过程。然而，这些试剂中强酸试剂会对反应设备产生腐蚀，强碱试剂处理会产生黑液等污染物，给环境带来压力，而高温、高压反应条件则会产生毒性物质，对纤维素的酶解发酵产形成抑制作用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种提高甘草渣酶解效率的方法，利用绿色低共熔溶剂氯化胆碱/乙醇胺对甘草渣进行预处理，所需反应条件更加温和，能在低温条件脱除木质素成分，提高后续纤维素酶酶解解得到葡萄糖的效率。
5.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
6.一种提高甘草渣酶解效率的方法，该方法包括以下步骤：
7.s1.将乙醇胺和氯化胆碱按照摩尔比为1:1～1:10，优选为1:5混合，80～120℃加热搅拌20～120min制得低共熔溶剂；
8.s2.将甘草渣与步骤s1得到的低共熔溶剂按固液比1:10～1:20g/ml，优选为1:20加入反应釜中80～120℃优选为100～120℃反应1～4h；
9.s3.将步骤s2得到固体加入至含纤维素酶的缓冲液中48-52℃优选为50℃酶解糖化得到葡萄糖溶液。
10.步骤s3所述的缓冲液为ph 4.8的0.05mol/l柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液。
11.步骤s3所述的纤维素酶添加量为10～30fpu/g绝干底物。
12.步骤s3所述的酶解反应底物浓度为5％～20％(w/v)，在摇床中酶解糖化反应72～120h。
13.优选地，步骤s2搅拌速率为500rpm，步骤s3摇床速率为150rpm。
14.本发明的有益效果如下：
15.1)本发明利用绿色低共熔溶剂氯化胆碱/乙醇胺对甘草渣进行预处理，在温度不高于120℃，处理时间短于4h条件下，纤维素保留率》80％，木质素脱除素》80％，预处理条件
更加温和，所需处理时间更短，具有节能高效、安全环保的优点。
16.2)本发明利用低共熔溶剂预处理后，固体残渣经过简单漂洗、烘干步骤后，可直接用于下一步酶解糖化实验，无需添加酸、碱等化学试剂，避免对设备的腐蚀作用、酶解效率大于70％，具有经济、简便的优点。
附图说明：
17.图1是不同预处理条件对甘草渣酶解效果的影响示意图。
具体实施方式：
18.以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
19.甘草渣洗涤、烘干粉碎后，过筛至20～60目之间，储存在密封袋于干燥皿中保存，备用。纤维素酶，由丹麦诺维信(novezymesa/s)生物工程有限公司提供，其滤纸酶活为221fpu/ml；实验过程中所用的氯化胆碱、乙醇胺、柠檬酸、柠檬酸钠等化学试剂均为分析纯。
20.实施例1：考察不同预处理温度对甘草渣组成成分的影响
21.s1.将乙醇胺和氯化胆碱按照摩尔比为1:5混合，80℃加热搅拌30min形成均一透明的液体然后冷却至室温制得低共熔溶剂；
22.s2.将甘草渣与步骤s1得到的低共熔溶剂按固液比1:20g/ml加入100毫升的高温反应釜中500rpm转速搅拌加热至80、100与120℃，反应3h后，用砂芯漏斗进行固液分离，收集固体物用于组成成分分析。
23.预处理前后原料化学组分变化根据美国可再生能源实验室(nrel)标准分析方法进行测定。称取150mg待测样品于2ml离心管内，加入1.5ml 72％浓硫酸摇匀并置于30℃，150rpm摇床水解1h，反应结束后用42ml去离子水将水解产物完全洗涤至75ml耐压瓶中(此时硫酸浓度为4％)。将耐压瓶放入高压灭菌锅，于121℃反应1h充分水解，待反应结束后冷却至室温。用砂芯漏斗中进行固液分离。固相部分于105℃烘箱烘干至恒重，计算酸不溶木质素含量。滤液用碳酸钙中和至ph中性、用hplc检测葡萄糖、木糖浓度，计算出原料中纤维素、半纤维素的含量。纤维素保留率、半纤维素和木质素去除率按照下式(1)、(2)、(3)进行计算。
[0024][0025][0026][0027]
表1
[0028][0029]
结果如表1所示，在120℃处理3h后，甘草渣木质素的去除率最大为77.86％，且纤维率保留率为85.63％。
[0030]
实施例2：考察不同预处理固液比对甘草渣组成成分的影响
[0031]
s1.将乙醇胺和氯化胆碱按照摩尔比为1:5混合，80℃加热搅拌30min形成均一透明的液体然后冷却至室温制得低共熔溶剂；
[0032]
s2.将甘草渣与步骤s1得到的低共熔溶剂按固液比1:10、1:15或1:20g/ml加入100毫升的高温反应釜中500rpm转速搅拌加热至120℃，反应3h后，用砂芯漏斗进行固液分离，收集固体物用于组成成分分析。
[0033]
结果如表2所示，固液比为1:10、1:15或1:20，甘草渣木质素的去除率为75.86～77.86％，相差不大，且纤维率保留率为90.98～85.63％。
[0034]
表2
[0035][0036][0037]
实施例3：考察不同预处理时间对甘草渣组成成分的影响
[0038]
s1.将乙醇胺和氯化胆碱按照摩尔比为1:5混合，80℃加热搅拌30min形成均一透明的液体然后冷却至室温制得低共熔溶剂；
[0039]
s2.将甘草渣与步骤s1得到的低共熔溶剂按固液比1:20g/ml加入100毫升的高温反应釜中500rpm转速搅拌加热至120℃，反应1-4h后，用砂芯漏斗进行固液分离，收集固体物用于组成成分分析。
[0040]
结果如表3所示，处理时间为1～4h，甘草渣木质素的去除率为74.98～78.42％，相差不大，但纤维率保留率为93.47％降至83.89％。
[0041]
表3
[0042][0043]
对比例：考察不同低共熔溶剂对甘草渣组成成分的影响
[0044]
s1.将尿素和氯化胆碱按照摩尔比为2：1混合，80℃加热搅拌30min形成均一透明的液体然后冷却至室温制得低共熔溶剂；
[0045]
s2.将甘草渣与步骤s1得到的低共熔溶剂按固液比1:20g/ml加入100毫升的高温反应釜中500rpm转速搅拌加热至120℃，反应1～4h后，用砂芯漏斗进行固液分离，收集固体物用于组成成分分析。结果参见表4。
[0046]
表4
[0047][0048]
实施例4：
[0049]
称取1g实施例1、2、3预处理后的甘草渣(绝干物料)装于50ml具塞三角瓶中，加入含有20fpu/g绝干底物纤维素酶的ph4.8的0.05m柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，使反应总体积为20ml，固体浓度为5％(w/v)。在50℃，150rpm摇床酶解96h。取出液体样品，用hplc测定酶解液中葡萄糖、木糖等单糖含量。酶解效率计算公式如式(4)所示。
[0050][0051]
结果见图1，在120℃处理4h后，葡萄糖、木糖浓度和纤维素酶解效率达到最大，分别为25.17g/l、6.71g/l和78.57％；较未处理中药渣酶解得率(30.40％)提高了1.58倍。