一种提取甘蔗渣纤维素的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提取甘蔗渣纤维素的方法，属于农作物秸杆生物质生化工程领域。
【背景技术】
[0002]尽管生物炼制已经成为近年来的研究热点，但真正的生物质经济时代尚未到来，由木质纤维类生物质实现生物能源和生物基产品的生物炼制技术仍旧面临着许多瓶颈问题，其中木质纤维素-糖平台(预处理、酶解和糖发酵)的预处理和酶解问题尤为突出。Wyman CE在分析生物炼制纤维素乙醇时认为，纤维素乙醇的过程成本占到总成本的67%，其中原料预处理的成本最高，其次是酶水解以及酶的生产过程，酶解效率偏低。
[0003]在木质纤维类生物质预处理方面，目前具有代表性的方法有:稀硫酸法、热水法、汽爆法和石灰法等，它们在预处理评价方面(经济性、有效性、处理时间、安全性和环境友好以及对后续工艺影响)都不同程度地存在着问题，尤其是经济成本方面较高，难以满足生物炼制的要求，且与理想预处理技术还有一定的距离。作为有希望的新型预处理方法，小分子有机溶剂制浆具有预处理选择性好和便于回收等特点，在相当一段时间内引起了广泛的关注，比如ALCELL法和ACET0S0LV法等。然而，它们在工程放大时凸现的缺点，阻碍了其工业化进程，如:溶剂易挥发、易泄漏、易燃易爆甚至有毒等；高压运行操作。针对此问题，尽管Rezayat1-Charani P et al、Rodriguez A et al及国内陈为健和程贤聽的团队对纤维质进行了高沸点有机溶剂制浆的研究，但仍然存在着加压、加酸/碱等催化剂以及蒸煮溶剂成本过高的问题。可见，寻找价格便宜的高沸点溶剂是构建经济高效和环境友好有机溶剂预处理技术的突破点。
[0004]另一方面，工业甘油作为生物柴油的副产品(1/4生物柴油量)，产量随着全球生物柴油的日益剧增而不断攀升，出现了严重的供大于求，而且这些低品级甘油精制到食品和医药级(-99.5%)需要先进的技术和高昂的投资成本。虽然国际上Demirbas A基于可再生林木资源制浆造纸和能源方面的考虑，开展了甘油作为有机溶剂对木材进行制浆脱除木质素和液化汽化方面的研究；Yadhu NathGuragain团队利用粗甘油处理麦草和水葫芦，也得到了理想的处理效果。国内方面我们利用工业甘油作为蒸煮溶剂处理麦草，同样得到了最佳的预处理条件(处理温度220°C、处理时间3h、液固比20、70%甘油水溶液)。在此处理条件下，纤维素保留率98%左右，半纤维素脱除率70%左右，木质素脱除率65%左右，粗纤维经过48h酶解，酶解效率达到90%。由此证明工业甘油作为蒸煮溶剂处理木质纤维质原料均可以达到较好的处理效果。
[0005]但是，上述利用甘油作为蒸煮溶剂处理木质纤维素原料时甘油需求量较大，液固比达到20，这大大增加了处理木质纤维素原料的成本，从而严重阻碍了其大规模工业化生产。因此我们在前人的基础上，进一步探索研究利用工业甘油作为蒸煮溶剂如何能大大降低成本的方法，经过很多次的实验和总结，发现采用甘油/水循环预处理的方法来处理甘蔗渣，既达到了良好的处理效果，又大大减少了甘油的用量，显著降低了处理秸杆类木质纤维素原料的成本并节约了大量用水，减少了环境污染，为今后木质纤维类原料生物炼制的大规模工业化生产奠定了基础，产生较大的社会效益和经济效益。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种提取甘蔗渣纤维素的方法。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]1、甘蔗渣常压甘油自催化预处理条件的优化:将甘蔗渣粉碎过20目筛子后放入60°C烘箱中烘干至恒重。取1g装入三孔烧瓶中，加入200g、70%工业甘油水溶液搅匀，在恒温加热套内常压升温蒸煮，升温时间约40min左右，蒸煮温度200°C _240°C，蒸煮时间lh_5h。蒸煮完毕后，冷却降温，降温至120°C左右时，缓慢加入150g沸水，快速搅拌充分溶解1min左右，开始用G3砂芯漏斗抽滤，并用温度为100°C、500g、50%甘油水溶液洗涤、抽滤两次，再用温度为100°C、400g蒸馏水洗涤、抽滤两次，洗涤完毕后，获得的滤饼即为甘油粗纤维素，采用美国能源实验室NREL法测定其纤维素组分，纤维素保留率为94%，木质素去除率为60%，湿的滤饼按固体浓度2%加入0.05M，pH4.8柠檬酸缓冲液然后加入50 μ L纤维素酶摇匀后，在50°C，150rpm震荡酶解48h，取样测糖，计算酶解效率。蒸煮温度对各组分以及酶解效率的影响见图1，蒸煮时间对各组分以及酶解效率的影响见图2。通过比较处理后组分、预处理量以及酶解效率判定最佳预处理条件，为进一步研究利用甘油/水循环预处理方案奠定基础。2、甘油/水循环预处理工艺:比较图1和图2实验得出:最佳预处理条件为220°C、2h、200g、70%甘油水溶液，运用上述最佳处理条件进行甘油/水循环预处理工艺探究。具体操作步骤如下:原料1g装入三孔烧瓶中，加入280g回收的50%洗涤、抽滤工业甘油水作为蒸煮溶剂，在220°C保温2h，冷却降温，降温至120°C左右时，缓慢加入150g沸水，快速搅拌充分溶解1min左右，开始用G3砂芯漏斗抽滤，并用温度为100°C回收的50%甘油水溶液500g洗涤、抽滤两次，再用温度为100°C、400g蒸馏水洗涤、抽滤两次，洗涤完毕后，获得的滤饼即为甘油粗纤维素，采用美国能源实验室NREL法测定其纤维素组分，湿的滤饼按固体浓度2%加入0.05M, pH4.8柠檬酸缓冲液然后加入50 μ L纤维素酶摇匀后，在50°C，150rpm震荡酶解48h，取样测糖，计算酶解效率。并多次重复上述实验和重复测定，检验回收的50 %甘油水溶液洗涤、抽滤多次蒸煮使用后的情况,循环应用甘油蒸煮次数对各组分以及酶解效率的影响，见说明附图3。
[0009]3、改进现有蒸煮装置，在蒸煮过程中加入冷凝管，回收加热升温过程中蒸发的水分以及400g水洗涤、抽滤得到的水分，作为沉淀木质素用水，从而减小水的利用，进一步为工业化以及大规模生产奠定理论基础。
[0010]4、参考美国可再生能源实验室(NREL)的三大组分测定方法:
[0011]准确称取烘干至恒重的甘蔗渣0.3g放入1mL试管中，加入72%的硫酸3mL，在
30°C水浴中反应60min，每个5-1Omin取出震荡一次--^将上述所得的水解液转移至
250mL三角瓶中，并加入84mL蒸馏水，在121°C下继续水解60min，待高压锅冷却后取出———将反应物用过滤坩埚真空过滤分别得到滤液和滤渣，滤液分为两部分，一部分在240nm下用蒸馏水稀释一定倍数测定酸溶木质素含量，蒸馏水做空白组，另一部分用碳酸钙稀释至中性后用HPLC测定葡萄糖、阿拉伯糖和木糖的浓度，并以此计算纤维素和半纤维素含量--^用热蒸馏水将滤渣洗涤至中性后，在105°C烘干至恒重，称重ml，之后在600°C下灰化，得到灰分与坩埚总重m2，Hl1-Hl2即为酸不溶木质素的含量。
[0012]纤维素％=葡萄糖浓度X87X 10 3X0.9/0.3X100%
[0013]半纤维素％=(阿拉伯糖浓度+木糖浓度)X 87 X 10 3 X 0.88/0.3 X 100%
[0014]木质素含量％ =(酸溶木质素含量+酸不溶木质素含量)/0.3 X 100 %
[0015]酸溶木质素％= 240nm处吸光值X87X 10 3X稀释倍数/ε Χ0.3(ε为生物质在特定长下的吸收率，对于甘蔗渣而言是25L/g cm)
[0016]还原