CN111676257A - 一种提高阔叶木纤维素高浓酶水解产可发酵糖效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高阔叶速生材中纤维素高浓酶水解可发酵糖效率的方法，其步骤为：原料切片、螺旋挤压；金属氯盐预处理；高浓磨浆机细纤维化；洗涤后固体基质的高浓水解：一定浓度分散于乙酸‑乙酸钠缓冲溶液中，再加入木质磺酸钠或木质磺酸钠与其他表面活性剂复配组成的复合表面活性剂和纤维素酶进行水解。获得还原糖和木质纤维素残渣。本发明将金属氯盐预处理与高浓磨结合处理木质纤维原料，将制浆造纸废弃物‑木质磺酸钠作为表面活性剂并与其他类型表面活性剂复配，引入到纤维素酶高浓水解体系中，提高了酶水解可发酵糖得率。实现了木质纤维素的高效高浓酶水解，并可大大节约生物乙醇的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种阔叶木资源转化利用的技术领域，具体地，是涉及一种可有效提高阔叶木速生材中纤维素高浓酶水解产可发酵糖效率的综合处理方法。
背景技术
资源匮乏、能源短缺、环境恶化已成为制约人类社会可持续发展的三大瓶颈问题，必将严重影响国民经济快速持续增长。以资源丰富的木质纤维素为原料，实现生物质资源的全组分利用，特别是依靠微生物发酵生产燃料乙醇的技术日益引人注目。木质纤维素是植物细胞壁的主要组成之一，地球上每年通过光合作用产生的木质纤维素总量可达1000亿吨，如美国每年可收集的木质纤维素总量可达10亿吨，我国也可达8亿吨，然而只有少部分被人类有效利用。木质纤维在长期的演变过程中进化出了较复杂的生物结构，用于阻抗微生物和动物的威胁，称之为木质纤维素的“顽抗性”。木质纤维素的这种“顽抗性”会影响到酶试剂或化学试剂向木质纤维原料内的渗透、传质以及纤维素酶的可及性及活性。因此，预处理是木质纤维原料生产燃料乙醇的关键技术。
木质纤维原料的预处理是指通过物理机械、化学及微生物等手段打破半纤维素和木质素对纤维素的包裹，改善纤维素的致密结构，释放更多游离羟基，使其容易与微生物和纤维素酶发生直接接触反应，从而克服木质纤维素原料的天然“顽抗性”，提高生物质酶解转化效率。金属氯盐可选择性脱除木质纤维素细胞壁中的半纤维素，同时与半纤维素相链接的木质素会部分溶出，从而使纤维素暴露出来，有利于纤维素酶与纤维素的直接接触。同时研究表明部分金属盐可提高纤维素酶的活性，从而提高纤维素酶水解效率。
除纤维素酶的价格外以及木质纤维素的天然顽抗性外，乙醇的蒸馏成本过高(约占整个乙醇生产投资的30％)也是制约生物乙醇商业化的关键因素之一。乙醇蒸馏成本过高主要原因是发酵液中乙醇浓度过低所致。因此，若能有效地采用高底物浓度的酶水解体系，可从根本上解决后续乙醇蒸馏能耗过高的问题。有研究表明，在底物浓度高于10％时纤维质原料开始不能有效转化，一次加料上限为12％-15％。可能原因为：随着底物含量增加，终产物和抑制物相应增多，浆料粘度增大，底物得不到有效搅拌导致酶不能与其充分接触，高浓度的抑制作用逐渐增强，纤维素转化率随之下降。
发明内容
为了解除木质纤维对纤维素酶的天然顽抗性，本发明利用金属氯盐对木质纤维原料进行预处理，选择性降解其中的半纤维素和部分木质素，从而将纤维素从致密的结构中暴露出来。通过向酶水解体系中加入表面活性剂，改善水解底物的流变性，从而达到提高酶水解效率的目的。
本发明的提高木质纤维素高固酶水解的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取2-3年生桉木去皮、切片后，水浸渍、单螺旋挤压脱水后风干，作为原料进行后续的预处理和酶水解；
(2)金属氯盐预处理，其技术条件为：将步骤(1)制得的桉木原料放入密闭耐高温高压小钢罐中，再往罐中加入金属氯盐预处理溶液，盖紧盖子，将小罐置于空气浴蒸煮锅中。预处理温度170-190℃，温度控制误差为±2℃，预处理时间20min，上述预处理所需溶液为现配的溶液，浓度为0.1-0.3mol/L。预处理完成后，立即停止加热，将小罐去除，用流动水冷却至室温，然后将小罐中的固液置于尼龙网袋中，利用甩干机将固液分离后获得预处理液和固体基质；
(3)细纤维化，其技术条件为：将步骤(2)制得的固体基质用去离子水洗至中性，并用去离子水调节浓度为20％左右，然后用高浓磨浆机对固体基质进行进一步细纤维化，获得目数在60-80目左右的粉末，风干后备用；
(4)固体基质的高浓酶水解，其技术条件为：将步骤(3)所得固体基质与一定量pH值为4.8(±0.1)乙酸/乙酸钠缓冲溶液混合，至底物的浓度为10％(％为质量体积比，g∶ml)，纤维素酶和纤维二糖酶的用量分别为15-20FPU/g和22.5-30CBU/g绝干生物质量。并加入一滴乙酸乙酯，用于防止水解过程中微生物及杂菌的产生。然后向酶水解体系中加入适量适当的表面适性剂，以促进酶水解的进行。将上述样品放置于恒温培养振荡器中，于50±2℃条件下反应48-72h，期间振荡器的转速保持在150-200r/min。反应结束后，将其在90℃下水浴中加热10min，对纤维素酶进行灭活处理，并将酶解液用真空过滤泵进行分离，最后得到酶解液和固体残渣。然后利用HPLC测定预处理液中葡萄糖含量。
优选的，步骤(2)中金属氯盐为MgCl2、FeCl2、FeCl3、KCl、NaCl中的一种。
优选的，步骤(4)中添加的表面活性剂为木质素磺酸钠，及其与吐温40、吐温80、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇(2000、4000、6000、8000)中的一种复配。
有益效果：
1.本发明将制浆造纸企业中的剩余物-木质素磺酸钠作为助剂应用于纤维素酶水解体系中，起到了提高制浆造纸厂效益的作用，同时起到提高燃料乙醇产量的目的。
2.本发明向纤维素酶高浓水解体系中加入少量的木质素磺酸钠及其复配助剂，相较于不添加助剂，可明显提高纤维素的酶水解效率，尤其在底物浓度越高时效率提高越明显。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步阐述，并不是本发明的限制。
实施例1
(1)选取2-3年生桉木去皮、切片后，水浸渍、单螺旋挤压脱水后风干，作为原料进行后续的预处理和酶水解；
(2)金属氯盐预处理，其具体技术条件为：将步骤(1)所得原料放入密闭耐高温高压小钢罐中，再往罐中加入MgCl2预处理溶液，盖紧盖子，将小罐置于空气浴蒸煮锅中。预处理温度170℃，温度控制误差为±2℃，预处理时间20min，预处理液浓度为0.2mol/L，固液比1∶6。预处理完成后，立即停止加热，将小罐去除，用流动水冷却至室温，然后将小罐中的固液置于尼龙网袋中，利用甩干机将固液分离后获得预处理液和固体基质；
(3)细纤维化，其具体的技术为：将步骤(2)所得固体基质用洗至中性，并用去离子水调节浓度为20％左右，然后用KRK高浓盘磨浆机对固体基质进行进一步细纤维化，获得目数在80左右的粉末，风干后备用。
(4)固体基质的酶水解，其具体技术为：将步骤(3)所得固体基质与一定量0.1mol/L pH值为4.8(±0.1)乙酸/乙酸钠缓冲溶液混合，至底物的浓度为10％(％为质量体积比，g∶ml)，纤维素酶和纤维二糖酶的用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干生物质量。并加入一滴乙酸乙酯，用于防止水解过程中微生物及杂菌的产生。将上述样品放置于恒温培养振荡器中，于50℃下反应48h，期间振荡器的转速保持在150r/min。反应结束后，将其在90℃下水浴加热中10min，对纤维素酶进行灭活处理，并将酶解液用真空过滤泵进行分离，最后得到酶解液和固体残渣。然后利用HPLC测定预处理液中葡萄糖含量。最终得酶水解葡萄糖得率为81.22％。
实例2
(1)选取2-3年生桉木去皮、切片后，水浸渍、单螺旋挤压脱水后风干，作为原料进行后续的预处理和酶水解；
(2)金属氯盐预处理，其具体技术条件为：将步骤(1)所得原料放入密闭耐高温高压小钢罐中，再往罐中加入MgCl2预处理溶液，盖紧盖子，将小罐置于空气浴蒸煮锅中。预处理温度170℃，温度控制误差为±2℃，预处理时间20min，预处理液浓度为0.2mol/L，固液比1∶6。预处理完成后，立即停止加热，将小罐去除，用流动水冷却至室温，然后将小罐中的固液置于尼龙网袋中，利用甩干机将固液分离后获得预处理液和固体基质；
(3)细纤维化，其具体的技术为：将步骤(2)所得固体基质洗至中性，并用去离子水调节浓度为20％左右，然后用KRK高浓盘磨浆机对固体基质进行进一步细纤维化，获得目数在80目左右的粉末，风干后备用。
(4)固体基质的酶水解，其具体技术为：将步骤(3)所得固体基质与一定量0.1mol/LpH值为4.8(±0.1)乙酸/乙酸钠缓冲溶液混合，至底物的浓度为10％(％为质量体积比，g∶ml)，纤维素酶和纤维二糖酶的用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干生物质量。并加入一滴乙酸乙酯，用于防止水解过程中微生物及杂菌的产生。然后向酶水解体系中加入0.1％- 0.5％(相对于底物质量)的木质素磺酸钠，以促进酶水解的进行。将上述样品放置于恒温培养振荡器中，于50℃条件下反应48h，期间振荡器的转速保持在150r/min。反应结束后，将其在90℃水浴中加热10min，对纤维素酶进行灭活处理。并将酶解液用真空过滤泵进行分离，最后得到酶解液和固体残渣。然后利用HPLC测定预处理液中葡萄糖含量。最终得酶水解葡萄糖得率如表1所示。说明木质素磺酸钠的添加，能促进纤维素的酶水解。
表1不同木质素磺酸钠用量对纤维素酶水解的影响
实例3
(1)选取2-3年生桉木去皮、切片后，水浸渍、单螺旋挤压脱水后风干，作为原料进行后续的预处理和酶水解；
(2)金属氯盐预处理，其具体技术条件为：将步骤(1)所得原料放入密闭耐高温高压小钢罐中，再往罐中加入MgCl2预处理溶液，盖紧盖子，将小罐置于空气浴蒸煮锅中。预处理温度170℃，温度控制误差为±2℃，预处理时间20min，预处理液浓度为0.2mol/L，固液比1∶6。预处理完成后，立即停止加热，将小罐去除，用流动水冷却至室温，然后将小罐中的固液置于尼龙网袋中，利用甩干机将固液分离后获得预处理液和固体基质；
(3)细纤维化，其具体的技术为：将步骤(2)所得固体基质用去离子水洗至中性，并用去离子水调节浓度为20％左右，然后用KRK高浓盘磨浆机对固体基质进行进一步细纤维化，获得目数在80左右的粉末，风干后备用。
(4)固体基质的酶水解，其具体技术为：将步骤(3)所得固体基质与一定量0.1mol/LpH值为4.8(±0.1)乙酸/乙酸钠缓冲溶液混合，至底物的浓度为5-20％(％为质量体积比，g∶ml)，纤维素酶和纤维二糖酶的用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干生物质量。并加入一滴乙酸乙酯，用于防止水解过程中微生物及杂菌的产生。酶水解体系中加入0.4％(相对于底物质量)的木质素磺酸钠。将上述样品放置于恒温培养振荡器中，于50℃条件下下反应48h，期间振荡器的转速保持在150r/min。反应结束后，将其在90℃下水浴加热10min，对纤维素酶进行灭活处理，并将酶解液用真空过滤泵进行分离，最后得到酶解液和固体残渣。然后利用HPLC测定预处理液中葡萄糖含量。表2列出了底物浓度为5-20％的葡萄糖得率。底物浓度越高，木质素磺酸钠对纤维素酶水解的促进作用越明显。
表2木质素磺酸钠的加入对底物浓度纤维素酶水解的影响
实例4
(1)选取2-3年生桉木去皮、切片后，水浸渍、单螺旋挤压脱水后风干，作为原料进行后续的预处理和酶水解；
(2)金属氯盐预处理，其具体技术条件为：将步骤(1)所得原料放入密闭耐高温高压小钢罐中，再往罐中加入MgCl2预处理溶液，盖紧盖子，将小罐置于空气浴蒸煮锅中。预处理温度170℃，温度控制误差为±2℃，预处理时间20min，预处理液浓度为0.2mol/L，固液比1∶6。预处理完成后，立即停止加热，将小罐去除，用流动水冷却至室温，然后将小罐中的固液置于尼龙网袋中，利用甩干机将固液分离后获得预处理液和固体基质；
(3)细纤维化，其具体的技术为：将步骤(2)所得固体基质洗至中性，并用去离子水调节浓度为20％左右，然后用KRK高浓盘磨浆机对固体基质进行进一步细纤维化，获得目数在80目左右的粉末，风干后备用。
(4)固体基质的酶水解，其具体技术为：将步骤(3)所得固体基质与一定量0.1mol/L pH值为4.8(±0.1)乙酸/乙酸钠缓冲溶液混合，至底物的浓度为10％(％为质量体积比，g∶ml)，纤维素酶和纤维二糖酶的用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干生物质量。并加入一滴乙酸乙酯，用于防止水解过程中微生物及杂菌的产生。然后向酶水解体系中加入0.4％ (相对于底物质量)的木质素磺酸钠，并按一定质量比(相对于木质素磺酸钠的质量)加入阳 离子表面活性剂-十六烷基三甲基溴化铵，以促进酶水解的进行。将上述样品放置于恒温培养振荡器中，于50℃条件下下反应48h，期间振荡器的转速保持在150r/min。反应结束后，将其在90℃下水浴加热10min，对纤维素酶进行灭活处理，并将酶解液用真空过滤泵进行分离，最后得到酶解液和固体残渣。然后利用HPLC测定预处理液中葡萄糖含量。最终得酶水解葡萄糖得率如表3所示。相较于单纯用木质素磺酸钠，阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的加入，可明显提高酶水解反应体系的转化效率。
表3木质素磺酸钠与阳离子表面活性剂复配对纤维素酶水解的影响
实例5
(1)选取2-3年生桉木去皮、切片后，水浸渍、单螺旋挤压脱水后风干，作为原料进行后续的预处理和酶水解；
(2)金属氯盐预处理，其具体技术条件为：将步骤(1)所得原料放入密闭耐高温高压小钢罐中，再往罐中加入MgCl2预处理溶液，盖紧盖子，将小罐置于空气浴蒸煮锅中。预处理温度170℃，温度控制误差为±2℃，预处理时间20min，预处理液浓度为0.2mol/L，固液比1∶6。预处理完成后，立即停止加热，将小罐去除，用流动水冷却至室温，然后将小罐中的固液置于尼龙网袋中，利用甩干机将固液分离后获得预处理液和固体基质；
(3)细纤维化，其具体的技术为：将步骤(2)所得固体基质用洗至中性，并用去离子水调节浓度为20％左右，然后KRK高浓盘磨浆机对固体基质进行进一步细纤维化，获得目数在80左右的粉末，风干后备用。
(4)固体基质的酶水解，其具体技术为：将步骤(3)将步骤(3)所得固体基质与一定量0.1mol/L pH值为4.8(±0.1)乙酸/乙酸钠缓冲溶液混合，至底物的浓度为10％(％为质量体积比，g∶ml)，纤维素酶和纤维二糖酶的用量分别为15-20FPU/g和22.5-30CBU/g绝干生物质量。并加入一滴乙酸乙酯，用于防止水解过程中微生物及杂菌的产生。然后向酶水解体 系中加入0.4％(相对于底物质量)的木质素磺酸钠，并按一定质量比(相对于木质素磺酸钠 的质量)加入非离子表面活性剂-吐温80进行复配，以促进酶水解的进行。将上述样品放置于恒温培养振荡器中，于50℃条件下反应48h，期间振荡器的转速保持在150r/min。反应结束后，将其在90℃下水浴加热10min，对纤维素酶进行灭活处理，并将酶解液用真空过滤泵进行分离，最后得到酶解液和固体残渣。然后利用HPLC测定预处理液中葡萄糖含量。最终得酶水解葡萄糖得率如表4所示。吐温与木质素磺酸钠以1∶1质量比复配，可使固体基质中的纤维素几乎全部转化为葡萄糖，从而提高纤维素的利用率。
表4木质素磺酸钠与吐温80复配提高酶水解效率
Claims (4)
1.一种提高阔叶木纤维素高浓酶水解产可发酵糖效率的方法，具体步骤如下：
(1)选取2-3年生桉木去皮、切片后，水浸渍、单螺旋挤压脱水后风干，作为原料进行后续的预处理和酶水解；
(2)金属氯盐辅助高温水预处理，其技术条件为：将步骤(1)制得的桉木原料放入密闭耐高温高压小钢罐中，再往罐中加入预处理溶液，盖紧盖子，将小罐置于空气浴蒸煮锅中。预处理温度170-190℃，温度控制误差为±2℃，预处理时间10-30min，上述预处理所需溶液为现配的金属氯盐溶液，浓度为0.1-0.3mol/L。预处理完成后，立即停止加热，将小罐去除，用流动水冷却至室温，然后将小罐中的固液置于尼龙网袋中，利用甩干机将固液分离后获得预处理液和固体基质；
(3)固体基质的分散及细纤维化处理，其技术条件为：将步骤(2)所得固体基质用去离子水洗至中性，并用去离子水调节浓度为15-20％左右，然后对固体基质进行进一步细纤维化，获得目数在60-80左右的粉末，风干后备用。
(4)固体基质的高固酶水解，其技术条件为：将步骤(3)所得固体基质为底物，加入一定量的pH 4.8(±0.1)乙酸-乙酸钠缓冲液，然后加入一定量的纤维素酶和纤维二糖酶混合液，并加入一滴乙酸乙酯，用于防止水解过程中微生物及杂菌的产生。最后用乙酸-乙酸钠缓冲液将酶解底物浓度稀释到一定浓度。向酶水解体系中加入适当的表面活性剂，以促进酶水解的进行。将上述样品放置于恒温培养振荡器中，于50(±2)℃条件下反应48-72h，期间振荡器的转速保持在150-200r/min。反应结束后，将其在90-95℃水浴中加热5-10min，对纤维素酶进行灭活处理，并将酶解液用真空过滤泵进行分离，最后得到酶解液和固体残渣。高浓酶水解时往反应体系中加入玻璃珠，以促进反应充分进行。
2.根据权利要求1所述的提高阔叶木纤维素高浓酶水解产可发酵糖效率的方法，其特征在于：步骤(2)中辅助高温水预处理的金属氯盐包括：氯化铁、氯化亚铁、氯化镁、氯化钠、氯化钾，其中的一种。
3.根据权利要求1所述的提高阔叶木纤维素高浓酶水解产可发酵糖效率的方法，其特征在于：步骤(3)中细纤维素化采用KRK高浓盘磨浆机、双螺旋挤浆机中的一种或两种结合。
4.根据权利要求1所述的提高阔叶木纤维素高浓酶水解产可发酵糖效率的方法，其特征在于：步骤(4)中的表面活性剂为吐温40、吐温80、木质磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇(2000、4000、6000、8000)中的一种或几种复配。
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