一種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法
【專利摘要】本發明屬于生物質能源技術領域，具體是一種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法。一種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟：原料前處理、機械活化處理、木質素洗脫和纖維素糖化。本發明的方法可降低木質素含量，降低其對纖維素酶的無效吸附；破壞木質纖維結構，降低纖維素結晶度，提高木質纖維的化學反應活性和酶對纖維素的可及性，本方法具有不需要高溫高壓，酶解時間短，能耗低，對設備無腐蝕，不產生對后續發酵階段有毒害作用物質等優點。
【專利說明】
一種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化 方法
技術領域
[0001] 本發明屬于生物質能源技術領域，具體是一種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木 質纖維原料的糖化方法。
【背景技術】
[0002] 化石燃料有不可再生、燃燒導致環境污染等缺點，生物乙醇是理想的化石燃料替 代品。木質纖維原料可用于生物乙醇生產。但是因為木質纖維原料由纖維素、半纖維素和木 質素組成，結構致密，高結晶度，纖維素糖化酶難以作用于未經預處理的木質纖維原料。使 用木質纖維原料生產生物乙醇需要經過:降低木質素含量、改變木質素性質、破壞木質纖維 致密結構、降低纖維素結晶度、增加糖化酶對纖維素和半纖維素的可及性為目標的預處理 過程。
[0003] 目前，對木質纖維進行活化預處理的主要方法有：（1)物理法。主要采用機械粉碎、 微波、超聲波、高能電子輻射等對木質纖維進行處理，這些方法可使原料結構松散，結晶區 中分子間氫鍵斷裂，結晶度降低，從而提高木質纖維的化學反應活性或糖化活性；（2)化學 法。主要采用無機酸、堿和有機溶劑對木質纖維進行預處理，使纖維素、半纖維素和木質素 吸脹并破壞其結晶性，促進纖維素的溶解、降解，提高其可及度；（3)物理-化學法。主要綜合 物理法和化學法的長處，彌補其不足，如蒸汽預處理、熱解預處理和蒸爆預處理等；（4)生物 法。生物法預處理技術就是利用某些微生物對木質纖維素進行預處理，達到提高木質纖維 素反應活性的效果；（5)組合處理法。主要綜合兩種或兩種以上的不同預處理方法，取長補 短，以期達到理想的預處理效果。總體上看，以上方法各有優勢，但也有一定的局限性，如機 械粉碎處理方法簡單，但能耗高;微波、超聲波等處理時間短，操作簡單，但設備費用較高， 并且難以進行大規模工業化生產;化學法是常用的較為有效的方法，但存在著試劑的回收、 中和、洗滌問題，降解過程損失相當數量的纖維素。有機溶劑雖然易于回收，但又存在腐蝕 和毒性等問題的限制，并且耗費大量化工原料，造成環境污染，難以獲得規模化生產的實用 價值;蒸汽爆破法的優點是能耗低，可以間歇也可以連續操作，但蒸汽爆破操作涉及高壓裝 備，投資成本較高。連續蒸汽爆破的處理量較間歇式蒸汽爆破法有所增加，但是裝置更復 雜，投資成本大為增加;生物法預處理技術具有能耗低，無污染，條件溫和等優點，但同時又 存在處理時間長而造成的生產周期長，且菌體會利用部分纖維素與半纖維素，使原料的水 解得率降低等不足，因而距實現大型工業化生產還有一定距離；組合法可綜合不同預處理 方法的優點，但如果僅是簡單的效果疊加，不僅沒有優勢，而且會造成整個流程過長，處理 成本增加。因此，尋找綠色、經濟、簡單的預處理技術便成為許多研究者的追求目標。
[0004] 機械活化是指固體物質在受到摩擦、碰撞、沖擊、剪切等強機械力的作用時，可破 壞天然高分子聚合物的高穩定性有序結構，使其顆粒粒度減小，比表面積增大，結晶度降 低，分子內和分子間的氫鍵產生大量的活性羥基，進而顯著提高木質纖維素的反應活性。機 械活化法缺點是能耗高，無法消除木質素對纖維素酶的無效吸附，單獨機械活化效果不佳。
【發明內容】
[0005] 為克服現有技術的缺陷，本發明提供一種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖 維原料糖化方法，加入氫氧化鈉與機械活化協同固相強化作用于木質纖維原料(堿皂化木 質素與半纖維素之間的酯鍵），提高木質素脫除率從而提高纖維素酶的有效利用率，降低結 晶度，提高酶對纖維素的可及性。本方法具有不需要高溫高壓，酶解時間短，能耗低，對設備 無腐蝕，不產生對后續發酵階段有毒害作用物質等優點。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用如下技術手段：
[0007] -種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟：
[0008] (1)原料前處理:先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量5-30% ;粉碎至40-100目，得到處理好的木質纖維原料；
[0009] (2)機械活化處理:將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫20-80 °C下，轉速為100-500rpm，球磨30-90min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末；
[0010] (3)木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多 余的堿，得到洗脫后的木質纖維原料；
[0011] (4)糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行 糖化，即得到木質纖維原料糖化液。
[0012] 作為優選，步驟(2)中堿的用量占木質纖維原料重量的1-20%。
[0013] 作為優選，所述的木質纖維原料為甘蔗渣或木薯酒糟。
[0014]作為優選，所述的堿為氫氧化鈉。
[0015] 作為優選，步驟⑷中所述糖化的條件為:纖維素酶的用量8-20FPU/g底物;糖化時 間 10-40h;糖化溫度25-55 °C ;糖化pH 4 · 0-6 · 0。
[0016] 與現有技術相比，本發明具有的有益效果為：
[0017] 1.本發明的方法加入氫氧化鈉與機械活化固相協同強化作用于木質纖維原料，氫 氧化鈉皂化木質素與半纖維素之間的酯鍵，降低木質素含量、減少其對纖維素酶的無效吸 附，降低纖維素的結晶度，提高木質纖維原料的化學反應活性和酶對纖維素的可及性，而且 本方法可減少纖維素酶用量，降低預處理成本，可縮短酶解糖化時間，縮短生產周期。
[0018] 2.本發明的方法具有固相強化，反應體積小的優點，可減輕后續處理壓力。
[0019] 3.本發明的方法具有不需要高溫高壓，不腐蝕設備等優點。不產生對后續發酵階 段有毒害作用的甲酸、糠醛、5_羥甲基糠醛等抑制物。
[0020] 4.本發明分別研究機械活化固相單獨作用、氫氧化鈉固相單獨作用、機械活化和 氫氧化鈉固相協同作用對木質纖維原料的物理化學性質和糖化性能的影響規律，弄清氫氧 化鈉作用下機械活化對纖維素的作用方式和原理，達到縮短預處理時間并有效提高纖維素 可及度和糖化活性的目的。這將進一步豐富木質纖維原料預處理技術的理論知識，對促進 木質纖維原料的深度開發利用有著十分深遠的意義。
[0021] 5.本發明的方法也可為其它生物質資源的開發利用提供基礎數據和理論基礎，這 不僅有很高的學術價值和技術指導意義，而且具有重要的社會和經濟效益。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合具體實施例，對本發明作進一步詳細的闡述，但本發明的實施方式并不 局限于實施例表示的范圍。
[0023] 實施例1:
[0024] -種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟： [0025] (1)原料前處理:先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量5%;粉碎至40目， 得到處理好的木質纖維原料;所述的木質纖維原料為甘蔗渣；
[0026] (2)機械活化處理：將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫20°C 下，轉速為l〇〇rpm，球磨30min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末;堿的用量占木 質纖維原料重量的1 % ;所述的堿為氫氧化鈉；
[0027] (3)木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多 余的氫氧化鈉，得到洗脫后的木質纖維原料；
[0028] (4)糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行 糖化，即得到木質纖維原料糖化液;所述糖化的條件為:纖維素酶的用量8FPU/g底物;糖化 時間1 〇h;糖化溫度25 °C ;糖化pH 4 · 0。
[0029] 實施例2:
[0030] -種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟：
[0031] (1)原料前處理：先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量30% ;粉碎至100 目，得到處理好的木質纖維原料;所述的木質纖維原料為甘蔗渣；
[0032] (2)機械活化處理：將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫80°C 下，轉速為500rpm，球磨90min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末;堿的用量占木 質纖維原料重量的20 % ;所述的堿為氫氧化鈉；
[0033] (3)木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多 余的氫氧化鈉，得到洗脫后的木質纖維原料；
[0034] (4)糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行 糖化，即得到木質纖維原料糖化液;所述糖化的條件為:纖維素酶的用量20FPU/g底物;糖化 時間40h;糖化溫度55 °C ;糖化pH 6 · 0。
[0035] 實施例3:
[0036] -種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟： [0037] (1)原料前處理:先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量20 % ;粉碎至80目， 得到處理好的木質纖維原料;所述的木質纖維原料為甘蔗渣；
[0038] (2)機械活化處理：將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫40°C 下，轉速為300rpm，球磨60min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末;堿的用量占木 質纖維原料重量的15% ;所述的堿為氫氧化鈉；
[0039] (3)木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多 余的氫氧化鈉，得到洗脫后的木質纖維原料；
[0040] (4)糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行 糖化，即得到木質纖維原料糖化液;所述糖化的條件為:纖維素酶的用量15FPU/g底物;糖化 時間30h;糖化溫度50 °C ;糖化pH 5 · 0。
[0041 ] 實施例4:
[0042] -種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟： [0043] (1)原料前處理:先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量5%;粉碎至40目， 得到處理好的木質纖維原料;所述的木質纖維原料為木薯酒糟；
[0044] (2)機械活化處理：將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫20°C 下，轉速為l〇〇rpm，球磨30min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末;堿的用量占木 質纖維原料重量的1 % ;所述的堿為氫氧化鈉；
[0045] (3)木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多 余的氫氧化鈉，得到洗脫后的木質纖維原料；
[0046] (4)糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行 糖化，即得到木質纖維原料糖化液;所述糖化的條件為:纖維素酶的用量8FPU/g底物;糖化 時間1 Oh;糖化溫度25 °C ;糖化pH 4 · 0。
[0047] 實施例5:
[0048] -種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟：
[0049] (1)原料前處理：先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量30%;粉碎至100 目，得到處理好的木質纖維原料;所述的木質纖維原料為木薯酒糟；
[0050] (2)機械活化處理：將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫80°C 下，轉速為500rpm，球磨90min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末;堿的用量占木 質纖維原料重量的20 % ;所述的堿為氫氧化鈉；
[0051] (3)木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多 余的氫氧化鈉，得到洗脫后的木質纖維原料；
[0052] (4)糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行 糖化，即得到木質纖維原料糖化液;所述糖化的條件為:纖維素酶的用量20FPU/g底物;糖化 時間40h;糖化溫度55 °C ;糖化pH6.0。
[0053] 實施例6:
[0054] -種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，包括如下步驟：
[0055] (1)原料前處理:先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量20 % ;粉碎至80目， 得到處理好的木質纖維原料;所述的木質纖維原料為木薯酒糟；
[0056] (2)機械活化處理：將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫40°C 下，轉速為300rpm，球磨60min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末;堿的用量占木 質纖維原料重量的10 % ;所述的堿為氫氧化鈉；
[0057] (3)木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多 余的氫氧化鈉，得到洗脫后的木質纖維原料；
[0058] (4)糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行 糖化，即得到木質纖維原料糖化液;所述糖化的條件為:纖維素酶的用量15FPU/g底物;糖化 時間30h;糖化溫度50 °C ;糖化pH 5 · 0。
[0059] 分別將實施例1-6得到的木質纖維原料樣品，測定木質素脫除率、結晶度，并分別 將實施例1-6得到的木質纖維原料樣品糖化液，經HPLC分析測定其還原糖糖含量，計算糖化 率，見表1。
[0060] 其中，結晶度的測定方法為:采用XRD分析，用X射線衍射儀對不同處理條件的木質 纖維素樣品制片，進行結晶結構表征。測試參數:工作電壓為40kV，工作電流為40mA，掃描速 度為8° · min-、測量范圍為5-40°。
[0061]木質素含量的測定方法為:參照美國可再生能源實驗室(NREL "測定生物質中的多 糖和木質素"的方法（Sluiter et al. 2008)。
[0063]糖化率計算公式如下：
[0065]表1本發明的方法得到木質纖維原料樣品及糖化液的性能測定
[0067] 注:對照為步驟（1)中在木質纖維素中不加入氫氧化鈉，不采用機械活化木質纖維 素的操作，其它操作相同。
[0068] 從表1可以看出，本發明實施例1-6分別得到的木質纖維原料糖化液的木質素脫除 率均在8%以上，而對照的木質素脫除率則為0;結晶度均明顯低于對照;糖化率均為對照的 5.1倍以上，且本發明的方法沒有產生對糖化酶活力有抑制作用的5-羥甲基糠醛。
[0069] 前述對本發明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述 并非想將本發明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變 和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本發明的特定原理及其實際應 用，從而使得本領域的技術人員能夠實現并利用本發明的各種不同的示例性實施方案以及 各種不同的選擇和改變。本發明的范圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。
【主權項】
1. 一種機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法，其特征在于，包括 如下步驟： (1) 原料前處理:先除去木質纖維原料中的雜質，干燥至含水量5-30% ;粉碎至40-100 目，得到處理好的木質纖維原料； (2) 機械活化處理:將前處理好的木質纖維原料與堿置于球磨機中，在恒溫20-80°C下， 轉速為100-500rpm，球磨30-90min后，球料分離，得到活化后的木質纖維素粉末； (3) 木質素洗脫:將活化后的木質纖維素粉末放入清洗器中，用水洗脫木質素及多余的 堿，得到洗脫后的木質纖維原料； (4) 糖化:將洗脫后的木質纖維原料中加水，用硫酸調節pH值，加入纖維素酶進行糖化， 即得到木質纖維原料糖化液。2. 根據權利要求1所述的機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法， 其特征在于，步驟(2)中堿的用量占木質纖維原料重量的1-20%。3. 根據權利要求1所述的機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法， 其特征在于，所述的木質纖維原料為甘蔗渣或木薯酒糟。4. 根據權利要求1所述的機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法， 其特征在于，所述的堿為氫氧化鈉。5. 根據權利要求1所述的機械活化協同氫氧化鈉固相強化木質纖維原料的糖化方法， 其特征在于，步驟(4)中所述糖化的條件為:纖維素酶的用量8-20FPU/g底物;糖化時間10-40h;糖化溫度25-55 °C ;糖化pH 4 · 0-6 · 0。
【文檔編號】C12P19/14GK105969821SQ201610388437
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】楊梅, 張燕娟, 黃祖強, 伍娟, 覃杏珍, 沈芳, 馮振飛, 黃愛民, 胡華宇, 覃宇奔
【申請人】廣西大學