一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法技术

一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法，它涉及木质纤维素的预处理及酶解方法。它是要解决现有的利用杂多酸降解木质素的方法的催化剂的制备成本高、所用溶剂成本高的的技术问题。预处理方法：将秸秆粉与蒸馏水混合液进行水热反应，得到一级固体残渣和一级滤液浓缩液；再将一级固体残渣与H

Pretreatment and enzymatic hydrolysis of straw lignocellulose

【技术实现步骤摘要】
一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法
本专利技术涉及木质纤维素原料的预处理及酶解方法。
技术介绍
近年来，随着不可再生能源的大量消耗，能源问题已经成为世界各国关注的热点问题，科研工作者们不断通过开发新能源和可再生能源，来减少和替代化石能源的使用。我国是农业大国，农作物秸秆资源丰富。农作物秸秆中富含木质纤维素，将秸秆木质纤维素转化为燃料乙醇是生物质资源高效利用的重要途径。目前，以粮食为原料生产一代燃料乙醇的技术工艺成熟稳定，而以秸秆等农林废弃物为原料生产二代纤维素乙醇时，由于秸秆木质纤维具有顽抗结构特性，木质素、半纤维素紧密的包裹在纤维素外层，阻碍了酶与底物接触，造成水解难、糖化率低的问题。所以，在酶解和发酵之前，需要先对秸秆木质纤维素基质进行预处理，以提高酶解糖化效率。传统的预处理方法主要有化学法、物理法、物理化学综合法和生物法等，这些方法各有优点，但也存在缺陷，难以兼顾能耗、预处理效率、废液处理成本及环保性等问题，极大限制了纤维素乙醇的工业化进程。稀硫酸水解法仍然是目前最主要的预处理方法，硫酸催化剂可以有效的水解、溶出纤维素和半纤维素，然而，硫酸催化剂对木质素的降解效果差，需要中和废酸液，存在废液处理成本高和环保性差的问题；此外，在硫酸催化剂的作用下，一部分被降解的木质素与纤维素及半纤维素的降解产物混合在一起，难以分离，产成底物竞争作用，提高发酵工序的生产成本。杂多酸属于固体酸范畴，具有催化活性高、选择性好、热稳定性好、可回收再利用和低腐蚀性等优点，在催化化学领域受到广泛关注，逐渐表现出替代传统酸催化剂的趋势，尤其是Keggin型结构的杂多酸，其给质子能力强，兼具强酸性和强氧化性，具有储备电子并保持原来结构不变、将体相成为反应场的“假液相”行为。不久前，国内、外学者研究发现一些杂多酸催化剂可以很好的降解木质素，在杂多酸催化剂的作用下，木材中的木质纤维素可以转化为纤维素富集的材料。2018年东北林业大学的硕士论文《杂多酸H3PW12O40与H5PV2Mo10O40催化降解木质素的研究》公开了一种利用以H3PW12O40为催化剂，对麦草碱木质素和酶解木质素进行催化降解的方法，但是该方法中，H3PW12O40要负载于ZrO2骨架内，利用此复合材料催化降解乙醇-水溶剂中的麦草碱木质素与酶解木质素。催化剂的制备成本高。中国科学院新疆理化技术研究所资源化学研究室采用典型的固体杂多酸(硅钨酸、磷钨酸、磷钼酸)作为催化剂，在γ-戊内脂/水溶剂体系内，对原木木粉中木质素进行了有效脱除，获得了富含纤维素的材料。该方法所用溶剂成本高。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的利用杂多酸降解木质纤维素的方法存在的催化剂的制备成本高、所用溶剂成本高的技术问题，而提供一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法。本专利技术的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，按以下步骤进行：一、将风干秸秆粉碎成40～60目秸秆粉，干燥至恒重；二、将秸秆粉与蒸馏水加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至140℃～200℃并保持15min～30min；然后降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩，备用；三、将步骤二得到的固体残渣和H3PW12O40水溶液加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至100℃～160℃并保持0.5h～2h，然后降至室温，将反应釜内的物料减压抽滤，并用蒸馏水将固体残渣洗涤至中性，得到二级固体残渣和二级滤液；向二级滤液中加入乙醚，振荡，得到下层的乙醚-磷钨酸复合物，将乙醚-磷钨酸复合物蒸发结晶，得到回收的磷钨酸；二级固体残渣则是完成预处理的秸秆木质纤维素。上述方法制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，按以下步骤进行：将秸秆粉原料经预处理后产生的一级滤液浓缩液和相应的完成预处理的秸秆木质纤维素与浓度为0.05～0.1M、pH＝4.5～5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液混合，混合均匀后加入纤维素酶，混合液放在恒温振荡器中，在50～55℃、转速为50～60rad/min的条件下酶解72～80h，然后离心分离，收集上清液，得到糖溶液。本专利技术采用Keggin型结构的杂多酸H3PW12O40的水溶液做催化剂，以“热水预抽提-杂多酸预处理”两步法预处理秸秆木质纤维素，然后将收集的半纤维素和纤维素残渣混合，酶解糖化，获得C6糖、C5糖溶液。糖溶液可以进一步通过发酵工序转化为燃料乙醇。本专利技术的优点如下：本专利技术采用的预处理方法以水为溶剂，降低了成本，同时反应时间短，总加热时间不超过2.5h，能耗相对较低；二、产生废液量少，废液的主要成分为水和木质素，不含废酸液，环境友好，废液中的木质素可以进一步分离、利用，进而实现秸秆资源的全组分利用；三、H3PW12O40催化剂用量少，并可回收再利用，回收率为添加量的70％～80％；四、总糖回收率高，可达69％～89％。本专利技术是一种能耗低、环境友好、催化剂可回收利用、总糖回收率高的新方法，为建立绿色高效的秸秆生物质预处理提供新思路和新方法，有助于加速推进纤维素基乙醇燃料的工业化进程。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，按以下步骤进行：一、将风干秸秆粉碎成40～60目秸秆粉，干燥至恒重；二、将秸秆粉与蒸馏水加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至140℃～200℃并保持15min～30min；然后降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩，备用；三、将步骤二得到的固体残渣和H3PW12O40水溶液加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至100℃～160℃并保持0.5h～2h，然后降至室温，将反应釜内的物料减压抽滤，并用蒸馏水将固体残渣洗涤至中性，得到二级固体残渣和二级滤液；向二级滤液中加入乙醚，振荡，得到下层的乙醚-磷钨酸复合物，将乙醚-磷钨酸复合物蒸发结晶，得到回收的磷钨酸；二级固体残渣则是完成预处理的秸秆木质纤维素。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中干燥的温度为60～70℃；其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中，秸秆粉的质量与蒸馏水的体积的比为1g：(10～50)mL；其它与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中，H3PW12O40水溶液的浓度为10mM～50mM；其它与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：/n一、将风干秸秆粉碎成40～60目秸秆粉，干燥至恒重；/n二、将秸秆粉与蒸馏水加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至140℃～200℃并保持15min～30min；然后降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩，备用；/n三、将步骤二得到的固体残渣和H

【技术特征摘要】
1.一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、将风干秸秆粉碎成40～60目秸秆粉，干燥至恒重；
二、将秸秆粉与蒸馏水加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至140℃～200℃并保持15min～30min；然后降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩，备用；
三、将步骤二得到的固体残渣和H3PW12O40水溶液加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至100℃～160℃并保持0.5h～2h，然后降至室温，将反应釜内的物料减压抽滤，并用蒸馏水将固体残渣洗涤至中性，得到二级固体残渣和二级滤液；向二级滤液中加入乙醚，振荡，得到下层的乙醚-磷钨酸复合物，将乙醚-磷钨酸复合物蒸发结晶，得到回收的磷钨酸；二级固体残渣则是完成预处理的秸秆木质纤维素。


2.根据权利要求1所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于步骤一中干燥的温度为60～70℃。


3.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于步骤二中，秸秆粉的质量与蒸馏水的体积的比为1g：(10～50)mL。


4.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于步骤三中，H3PW12O40水溶液的浓度为10mM～50mM。


5.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张盛明，于兴华，陈海涛，刘雨龙，金天浩，梅铁瀚，马凉非，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23