一種可實現闊葉木枝椏材高效酶解糖化的預處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物質資源與林業廢棄物利用技術領域，尤其是一種可實現闊葉木枝椏材高效酶水解轉化的預處理方法。
【背景技術】
[0002]隨著世界人口數量的持續增加，經濟的迅速發展，不可再生能源(如石油和天然氣)不斷地被消耗，有關研究人員預測2050年全球的原油生產將從現在的250億桶減少到50億桶。由于生物燃料在很多領域可以部分或者全部替代化石燃料，同時各國政府也鼓勵生物燃料的發展，這使得人們更加青睞于對這種可再生能源的開發與應用。
[0003]木質纖維生物質在傳統工業應用中主要用于制漿造紙行業，然而全球資源與能源的短缺不僅給其它行業帶來了危機，也給該行業帶來了巨大的挑戰，但這也為制漿造紙行業提供了發展的契機。中國造紙協會據此發表的《造紙工業技術進步“十二五”指導意見》中多處提到生物質的資源化和利用，并明確指出:“造紙工業是采用可再生物質為原料規模最大的加工業，在物質循環利用和低碳生產技術和開發利用方面，具有獨特的優勢”，并強調:“日益加劇的行業競爭使傳統造紙工業面臨巨大的壓力，把傳統造紙廠轉化為能夠同時生產紙漿和紙、高分子材料、化學品和生物質能源的復合型生物質提煉廠，達到充分合理高值化利用植物纖維原料中的纖維素、半纖維素和木素三大組分是制漿科學研究的新發展趨勢”。眾所周知，制漿造紙工業對生物質資源的消耗巨大，因此，生物質精煉與制漿造紙工業相結合已是大勢所趨。在生物質精煉過程中，生物乙醇是一種可再生的、綠色的汽油替代品，也將是世界上繼紙漿之后的第二個生物質消費品。由于第一代乙醇是由農作物發酵而成，這將會對糧食的價格產生不利的影響。因此，以纖維素(如蔗渣、秸桿和木材等)作為原料開發并生產第二代乙醇具有非常重要的意義。
[0004]闊葉木的主干主要用于木材加工及家具制造，但在木材的加工過程中會產生大量的枝椏材廢棄物。如果不對這些廢棄物合理的利用，不僅造成了資源的浪費，而且也會污染環境。這些廢棄的枝椏材是一種豐富的木質纖維素生物質資源，通過轉化利用這些生物質資源并進一步生產一系列具有高附加值的產品，如乙醇、碳纖維、聚合物、煤油和生物柴油等產品，對資源的充分利用以及環境保護具有重要意義。
[0005]目前，尚沒有一種能夠實現闊葉木枝椏材中糖類組分高效轉化與分離的方法。
[0006]通過檢索，尚未發現與本發明專利申請相關的專利公開文獻。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種破壞生物質的頑抗性并可實現闊葉木枝椏材高效酶水解轉化的預處理方法，該方法能夠實現闊葉木枝椏材這種林業廢棄物的高效利用，并為后續的加工利用或生產具有高附加值產品提供原料基礎。
[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0009]—種實現闊葉木枝椏材高效酶水解轉化的預處理方法，步驟如下:
[0010]⑴首先，將闊葉木枝椏材切成木片，得木片原料；
[0011 ]⑵將闊葉木枝椏材木片原料置于蒸煮器中，加入相對于木片原料絕干質量0.5%-2.0%的出504，固液比為1:4-1:10(1^:0，蒸煮溫度在120-180°(:的溫度下保溫20-901^11，并在反應過程中使反應液不斷循環噴淋，以使闊葉木枝椏材木片原料與藥液充分反應，反應結束后，將預處理液與固體殘渣進行分離，將反應后的木片固體殘渣用水洗至中性，風干后儲存備用，得處理后木片；
[0012]⑶將經過稀硫酸處理后的處理后木片進行磨解處理、消潛處理、疏解處理和脫水處理后，得脫水后漿料，然后將脫水后漿料收集并于4°C環境中儲存以用于后續的生物酶處理；
[0013]⑷生物酶處理:對脫水后漿料進行生物酶處理，在進行處理之前，對所用容器進行高溫滅菌處理；
[0014]在無菌條件下，向脫水后漿料中加入乙酸一乙酸鈉緩沖溶液，脫水后漿料的絕干質量與乙酸一乙酸鈉緩沖溶液的比例(kg:L)為1:4-1:6，充分攪拌后加入生物酶混合液，然后加入水使闊葉木漿料的質量濃度為1.0%-5.0%，無菌條件下進行生物酶水解處理，即可得單糖組分，實現闊葉木枝椏材的高效酶水解轉化；
[0015]其中，所述生物酶水解處理的條件為:pH4.8，反應溫度40-55°(:，反應時間10-90h，轉速100-180rpm，所用纖維素酶用量為10-30FPU/g底物，半纖維素酶用量為20-80U/g底物。
[0016]而且，所述步驟⑶的具體操作步驟如下:
[0017]①將經過稀硫酸處理后的處理后木片置于密閉的反應器中，依次加入蒸餾水、相對于木片原料絕干質量1.0%-5.0%的NaOH和相對于木片原料絕干質量1.0 % -5.0 %的Na2SO3，最終配成相對于木片原料絕干質量20 %~50%的質量百分濃度，將該密閉反應器置于恒溫水浴中進行化學預浸漬處理，處理溫度為60-90°C，處理時間20-40min;
[0018]②經過化學預浸漬處理后，處理后木片再經過兩段磨解處理:第一段為壓力磨解，具體條件為:溫度120-180 °C，壓力0.1-0.5MPa，漿濃1 % - 40 % (質量百分數)，磨解2 -1Omin;第二段為常壓磨解，具體條件為:盤磨間隙0.08-0.10mm，漿濃10%-30% (質量百分數)，得闊葉木漿料；
[0019]③兩段磨解處理后，將闊葉木漿料配成漿濃1.0%_5.0%(質量百分數)，在80-90°C條件下保溫10-30min進行消潛處理，然后將消潛后的闊葉木漿料疏解10000-30000轉，得闊葉木漿料纖維；闊葉木漿料纖維經過篩選并收集通過0.15mm篩縫的級分，將收集到的闊葉木漿料纖維級分脫水至質量百分濃度為20%-40%，得脫水后漿料，然后將脫水后漿料收集并于4°C環境中儲存以用于后續的生物酶處理；
[0020]或者，所述步驟⑶的具體操作步驟如下:
[0021]①將經過稀硫酸處理后的處理后木片置于磨解器中進行磨解處理，具體條件為:盤磨間隙0.08-0.101111]1，楽濃10%-30%(質量百分數)，得闊葉木楽料；
[0022]②磨解處理后，將闊葉木漿料配成漿濃1.0%-5.0%(質量百分數)，在80-90°C條件下保溫10_30min進行消潛處理，然后將消潛后的闊葉木漿料疏解10000-30000轉，得闊葉木漿料纖維；闊葉木漿料纖維經過篩選并收集通過0.15mm篩縫的級分，將收集到的闊葉木漿料纖維級分脫水至質量百分濃度為20 %-40 %，得脫水后漿料，然后將脫水后漿料收集并于4°C環境中儲存以用于后續的生物酶處理；
[0023]而且，所述闊葉木為楊木、桉木、樺木、櫸木、相思木中的一種或兩種以上的混合物。
[0024]而且，所述步驟⑷中高溫滅菌處理的條件為121°C滅菌60min。
[0025]而且，所述步驟⑷中乙酸一乙酸鈉緩沖溶液的pH為4.5-5.0，其配制方法為:稱取乙酸鈉，加蒸餾水溶解，再加入冰乙酸，加蒸餾水稀釋至乙酸鈉濃度為0.5moI/L，冰乙酸的體積濃度為2.5 %，并調節pH值至4.5-5.0。
[0026]而且，所述木片原料的規格為長35mm X寬1mm X厚5mm，后經清水洗滌3-4次。
[0027]而且，所述步驟⑷中纖維素酶的酶活力為60.00FHJ/mL，半纖維素酶的酶活力為85731.51U/mLo
[0028]而且，所述反應器為密封袋。
[0029]而且，所述步驟⑷中單糖組分為葡萄糖或/和木糖。
[0030]本發明取得的優點和積極效果是:
[0031]1、本方法充分實現了闊葉木枝椏材這種林業廢棄物的有效利用，不僅可以有效利用林業廢棄物資源，也減輕了對環境保護的壓力，是利國利民、符合國家可持續發展戰略和迫在眉睫的方法，對我國國民經濟的發展、清潔生產以及環境保護都具有重要意義。
[0032]2、本方法借助化學法處理、機械法處理和生物酶處理實現其主要化學組分的高效轉化。闊葉木漿料經生物酶處理后，底物中纖維素轉化為葡萄糖的轉化率可達到93%，該方法可為后續的加工利用或生產具有高附加值產品提供原料基礎，該方法清潔，操作簡單、方便，成本合理。
【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例，對本發明進一步說明；下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本發明的保護范圍。
[0034]本發明中所使用的原料，如無特殊說明，均為常規的市售產品；本發明中所使用的方法，如無特殊說明，均為本領域的常規方法。
[0035]本發明中所使用的乙酸一乙酸鈉緩沖溶液的pH為4.5-5.0，其配制方法為:稱取乙酸鈉(CH3⑶ONa.3H20)，加蒸餾水溶解，再加入冰乙酸，加蒸餾水稀釋至乙酸鈉濃度為
0.5mo I/L，冰乙酸的體積濃度為2.5 %，并調節pH值至4.5-5.0。
[0036]實施例1
[0037]一種實現闊葉木枝椏材高效酶水解轉化的預處理方法，步驟如下:
[0038](I)首先將闊葉木枝椏材切成木片，得木片原料，選取規格約為長35mmX寬1mmX厚5mm的木片，清水洗滌3-4次；
[0039](2)將闊葉木枝椏材木片原料置于蒸煮器中，加入1.0% (相對于木片原料絕干質量)的出504，固液比為1:1O (kg: L)，蒸煮溫度在160 °