一種提高油菜秸稈糖化效率的預處理方法
【專利摘要】本發明涉及木質纖維素原料的預處理方法，具體說是一種提高油菜秸稈糖化率的預處理方法，其包括將油菜秸稈粉碎成粗粉、對粗粉采用射線進行輻照處理、將輻照處理后的粗粉加入硫酸溶液中干燥、將干燥后的殘渣酶解的步驟。本發明的方法充分利用了我國豐富的廢棄油菜稈資源，為油菜資源的綜合利用和可再生能源的開發提供了新的途徑，不僅污染少、酶解效率高；而且糖化效果好、成本低、操作簡單。
【專利說明】一種提高油菜秸稈糖化效率的預處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及木質纖維素原料的預處理方法，具體說是提高油菜秸桿糖化率的預處
理方法。
【背景技術】
[0002]油菜是一種纖維素含量豐富的木質纖維素材料，屬于一年生草本植物，在我國南北方廣為栽培，產量高。油菜秸桿可以代替傳統的淀粉類和糖類作為發酵原料制備乙醇，同時在建筑、飼養、改土還田等領域都有廣泛用途，其生態學價值和經濟價值越來越受到科技工作者們的關注和重視。但作為木質纖維素原料制備燃料乙醇，其降解面臨著一個難題，即油菜等天然植物纖維原料主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，結構非常復雜。纖維素不僅被半纖維素和木質素所包裹，且其本身存在的高度結晶性使酶制劑很難與纖維素接觸，直接影響后續的水解和發酵過程。因此，必須借助化學和物理的方法進行預處理，破壞纖維素一木質素一半纖維素之間的連接，降低纖維素的結晶度，脫去木質素，增加原料的疏松性，以增加纖維素酶系與纖維素的接觸面積，從而提高酶效率。預處理是最昂貴的步驟之一，而且對前面(如尺寸縮減)和后續(酶解和發酵)處理所需的費用影響很大，一種好的預處理方法可以減少昂貴的酶的使用。
[0003]目前，預處理方法主要有物理法、化學法和生物法等。物理法具有污染小、操作簡單等優點，但能耗大，成本高，且效果欠佳。化學法是使用酸，堿，有機溶劑，氧化劑等一些化學試劑處理纖維素的一種方法。此方法所用酸堿用量大而回收率低，對環境污染嚴重，對設備要求高，通常產生大量副產物，對后續發酵過程產生影響。生物法設備簡單、能耗低、無污染、條件溫和，但微生物處理方法的一個最大缺點是處理周期長，而且許多微生物在分解木質素的同時也消耗部分纖維素和半纖維素。因此，迫切需要尋求一種更為經濟有效、低污染的處理方法。
【發明內容】
[0004]針對上述技術問題，本發明提供一種可降低生產成本、減少環境污染且可提高糖化率的油菜秸桿預處理方法。
[0005]本發明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種提高油菜秸桿糖化率的預處理方法，其包括以下步驟:
(1)將油菜秸桿粉碎成粗粉；
(2)對上述粗粉采用射線進行輻照處理；
(3)將輻照處理后的粗粉加入硫酸溶液中，并攪拌均勻，再進行水浴處理，冷卻過濾，殘渣水洗至中性后干燥；
(4)將干燥后的殘渣加入檸檬酸一檸檬酸鈉緩沖溶液中，然后加入纖維素酶，再在振蕩的條件下酶解，最后收集濾液。
[0006]作為優選，步驟(1)中，首先將油菜秸桿清洗干凈，在45— 65°C條件下烘干3— 7天，然后將秸桿長度粗切至0.5— IOcm之間，再粉碎成20— 40目的粗粉。
[0007]作為優選，步驟(2)中的粗粉先裝入白色玻璃瓶中，然后在自然室溫條件下經60Co-Y射線輻照。
作為優選，所述輻照劑量為200kGy —1000 kGy,輻射鈷源強度為9.99 X IO15Bq,劑量率為 2kGy/h0
[0008]作為優選，步驟(3)中，首先將輻照處理后的粗粉與0.1—4.5%的硫酸溶液按1:10—1:20的固液比混合，并攪拌均勻，然后于60— 100°C水浴處理1.0—5.0小時，再冷卻過濾，殘渣水洗至中性后在45— 65 °C條件下干燥。
[0009]作為優選，步驟(4)中，首先將干燥后的殘渣以1:20— 1:30的固液比加入pH4.5—
5.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，然后加入200-250FPU/g的纖維素酶，再在50°C —55°C、140 rpm一150rpm振蕩的條件下酶解48—96小時,最后收集濾液。
[0010]與現有技術相比，本發明的有益效果如下:
1、本發明的方法充分利用了我國豐富的廢棄油菜桿資源，為油菜資源的綜合利用和可再生能源的開發提供了新的途徑。
[0011]2、污染少。因6tlC0-Y射線輻照處理屬于物理預處理法，具有污染小的優點，且酸處理采用的濃度低，對環境污染少，對設備要求低，易于實現工業化生產。
[0012]3、酶解效率 高。采用輻照處理，可以降低纖維素結晶度，破壞纖維素、半纖維素和木質素結合層，再協同后續的酸處理，可通過改變基質的物理結構來增加基質與酶的接觸面積，從而大大提高酶解效率，使酶解后還原糖含量高。
[0013]4、糖化效果好。本發明酶解產物主要為葡萄糖和木糖，副產物少，對后續發酵過程抑制小。
[0014]5、成本低。通過前面的預處理步驟，可以有效降低酶的用量，且無需另外添加其他輔助酶。
[0015]6、操作簡單。酸處理反應溫度低，對設備要求低，易于實現工業化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合圖1對本發明的方法作進一步地詳細說明:
本發明的方法包括以下步驟:
(1)將油菜秸桿粉碎成粗粉。通過粉碎可增加表面積，使物料顆粒大小均勻，有利于提高降解效率；
(2)對上述粗粉采用射線進行輻照處理。利用適當劑量的6tlCo-Y射線輻照處理油菜秸桿，使得秸桿的表面結構受到破壞，木質纖維素之間的交聯結構被打斷，纖維素的聚合度下降，結晶度下降，增加其反應活性。
[0018](3)將輻照處理后的粗粉加入硫酸溶液中，并攪拌均勻，再進行水浴處理，冷卻過濾，殘渣水洗至中性后干燥。本發明通過輔助溫和的低溫稀酸處理，使輻照和稀酸發生協同作用，進一步加快木質纖維素的降解。[0019](4)將干燥后的殘渣加入檸檬酸一檸檬酸鈉緩沖溶液中，然后加入纖維素酶，再在振蕩的條件下酶解，最后收集濾液。結合纖維素酶的作用，使木質纖維素進一步被充分降解成為可發酵性糖，從而提高糖化率。詳見具體實施例:
實施例1
將風干的油菜秸桿粗切后粉碎至30目粉末，裝入1000mL的白色玻璃瓶中，經6tlCo-Y射線輻照，劑量為800kGy，在自然室溫條件下照射，輻射鈷源強度為9.99 X IO15Bq,劑量率2kGy/h。所有輻照預處理實驗均在湖南省輻照中心的6tlCo- Y射線輻照裝置中完成。取上述經輻照后的粉末I克，按1:20的固液比加入0.5%的硫酸溶液，攪拌均勻，于80°C水浴處理
1.5小時，冷卻過濾，殘渣水洗至中性后50°C干燥；取干燥后殘渣I克以1:25的固液比加入PH5.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，再加入諾維信纖維素酶225FPU/g，50°C，150rpm振蕩，酶解72小時，測得還原糖含量達401.44mg/g，葡萄糖含量達195.21mg/g,木糖含量達124.38 mg/g,纖維素降解率達51.78%，半纖維素的降解率達61.21%。
[0020]實施例2
將風干的油菜秸桿粗切后粉碎至20目粉末，裝入1000mL的白色玻璃瓶中，經6tlCo-Y射線輻照，劑量為1000kGy,在自然室溫條件下照射，輻射鈷源強度為9.99X1015Bq，劑量率2kGy/h。所有輻照預處理實驗均在湖南省輻照中心的6tlCo- Y射線輻照裝置中完成。取上述經輻照后的粉末I克，按1:15的固液比加入1.1%的硫酸溶液，攪拌均勻，于90°C水浴處理
2.0小時，冷卻過濾，殘渣水洗至中性后60°C干燥；取干燥后殘渣I克以1:30的固液比加入PH4.8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，再加入諾維信纖維素酶250FPU/g，55°C，140rpm振蕩，酶解96小時，測得還原糖含量達465.89mg/g，葡萄糖含量達227.27 mg/g,木糖含量達152.30 mg/g,纖維素降解率達60.24%，半纖維素的降解率達73.99%。
[0021]實施例3
將風干的油菜秸桿粗切后粉碎至40目粉末，裝入1000mL的白色玻璃瓶中，經6tlCo-Y射線輻照，劑量為600kGy，在自然室溫條件下照射，輻射鈷源強度為9.99 X IO15Bq,劑量率2kGy/h。所有輻照預處理實驗均在湖南省輻照中心的6tlCo- Y射線輻照裝置中完成。取上述經輻照后的粉末I克，按1:10的固液比加入2.1%的硫酸溶液，攪拌均勻，于70°C水浴處理1.0小時，冷卻過濾，殘渣水洗至中性后45°C干燥；取干燥后殘渣I克以1:20的固液比加入PH4.5的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，再加入諾維信纖維素酶200FPU/g，50°C，145rpm振蕩，酶解48小時，測得還原糖含量可達373.29mg/g，葡萄糖含量達171.34 mg/g,木糖含量達109.83 mg/g,纖維素降解率達47.34%，半纖維素的降解率達56.03%。
[0022]上述實施方式僅供說明本發明之用，而并非是對本發明的限制，有關【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發明精神和范圍的情況下，還可以作出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也應屬于本發明的范疇。
【權利要求】
1.一種提高油菜秸桿糖化率的預處理方法，其包括以下步驟: (1)將油菜秸桿粉碎成粗粉； (2)對上述粗粉采用射線進行輻照處理； (3)將輻照處理后的粗粉加入硫酸溶液中，并攪拌均勻，再進行水浴處理，冷卻過濾，殘渣水洗至中性后干燥； (4)將干燥后的殘渣加入檸檬酸一檸檬酸鈉緩沖溶液中，然后加入纖維素酶，再在振蕩的條件下酶解，最后收集濾液。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(1)中，首先將油菜秸桿清洗干凈，在45— 65°C條件下烘干3— 7天，然后將秸桿長度粗切至0.5 — IOcm之間，再粉碎成20—40目的粗粉。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中的粗粉先裝入白色玻璃瓶中，然后在自然室溫條件下經6ciCo-Y射線輻照。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于:所述輻照劑量為200kGy—1000 kGy，輻射鈷源強度為9.99 X IO15Bq,劑量率為2kGy/h。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(3)中，首先將輻照處理后的粗粉與0.1—4.5%的硫酸溶液按1:10— I:20的固液比混合，并攪拌均勻，然后于60— 100°C水浴處理1.0 — 5.0小時，再冷卻過濾，殘渣水洗至中性后在45— 65°C條件下干燥。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(4)中，首先將干燥后的殘渣以·1:20— 1:30的固液比加入pH4.5—5.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，然后加入200—250FPU/g的纖維素酶，再在50°C — 55°C、140 rpm — 150rpm振蕩的條件下酶解48— 96小時，最后收集濾液。
【文檔編號】C12P7/10GK103589762SQ201310559487
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月12日 優先權日:2013年11月12日
【發明者】張春艷, 譚興和, 熊興耀, 蘇小軍 申請人:湖南農業大學