專利名稱：一種木質(zhì)纖維素原料的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物加工領(lǐng)域，具體涉及一種木質(zhì)纖維素原料的處理方法。
背景技術(shù)：
隨著石油資源的日益減少，糧食的日益緊張，以及對乙醇、丁醇等為主的液體燃料 和其他生物質(zhì)化工產(chǎn)品如乳酸、丁二酸等的巨大需求，促使以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)可發(fā) 酵的糖，然后生物轉(zhuǎn)化為生物化工產(chǎn)品的研究與開發(fā)成為中國、美國等世界耗能大國的科 學界和產(chǎn)業(yè)界的熱點。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年形成的農(nóng)業(yè)廢棄物約有7億t，其中麥草秸稈1. 1億t， 稻草秸稈1. 8億t，棉秸1300萬t，大豆秸稈1500萬t，其中麥草秸稈產(chǎn)量約占秸稈總量的 約18%。除少數(shù)秸稈被作為牲畜飼料、農(nóng)家肥和農(nóng)村燃料外，大多數(shù)秸稈被堆放或直接焚 燒，不僅造成生物質(zhì)資源的巨大浪費，也帶來嚴重的環(huán)境污染問題。利用這些農(nóng)村秸稈發(fā)展 纖維素乙醇和生物化工產(chǎn)品，足以解決我國面臨的能源危機，同時可以為生物化工發(fā)展提 供原料。但纖維素用酶法進行糖化處理前，由于木質(zhì)纖維素的特殊結(jié)構(gòu)，需要特殊預處理， 將結(jié)晶纖維素結(jié)構(gòu)變得疏松，處理方法主要有酸法、堿法、蒸汽爆破法、濕氧化法、有機溶劑 法等。如中國專利CN101348804(北京林業(yè)大學)公開了一種低強度蒸汽爆破灌木 莖稈分離主要成份的方法。該方法需要蒸汽爆破裝置及蒸汽發(fā)生器，操作安全要求高。 CN1443141 (里索國家實驗室)報道了溫法氧化或蒸汽爆破，存在和專利CN101348804相同 的問題，需要爆破專用裝置。中國專利CN101343648(上海交通大學)報道了一種利用納米粉碎機，可以將秸 稈粉碎到10-20 μ m,提高水解效率，可以替代化學試劑法處理，但納米尺度的粉碎機在粉碎 過程中需要消耗大量的能量，而且干磨容易導致電機溫度升高，中間冷卻時間長，生產(chǎn)效率 低。CN101285106(南京工業(yè)大學)報道利用磷酸水解，然后利用有機溶劑萃取木質(zhì)素 的方法，但酸法水解后還需要中和、過濾等處理過程。CN101255479(南京工業(yè)大學)報道一種將木質(zhì)素高效糖化的處理方法，采用粗粉 碎、堿液濕磨、堿回收和酶解步驟，其處理過程中添加了堿液，并需要利用電滲析方法回收 堿液，電耗成本相對較高。CN101235606(中國石油化工股份有限公司)報道利用循環(huán)反應器酸水解木質(zhì)纖 維素的方法，和CN101148458 (中國科學院研究生院)報道的利用酸法水解木質(zhì)纖維素的方 法，都需要特殊的預處理設(shè)備。因此，目前急需尋找一種廉價、無環(huán)境污染，不需要高溫條件的，也無需酸、堿的生 產(chǎn)能力大的處理方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)副產(chǎn)物復雜、設(shè)備要求高、處理溫度高的不足，提供 一種木質(zhì)纖維素原料的處理方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種木質(zhì)纖維素原料的處理方法，包括如下步驟步驟(1)將木質(zhì)纖維素原料粉碎后過篩，取粒徑為0. 08mm-0. Imm的顆粒備用；步驟O)將步驟(1)所得顆粒和水混合，經(jīng)膠體磨分散形成顆粒粒徑為40-80 μ m 的懸浮液；步驟(3)將步驟( 所得懸浮液經(jīng)高壓均質(zhì)至顆粒粒徑為10-40 μ m ；步驟(4)將步驟(3)所得懸浮液用醋酸鈉及醋酸緩沖溶液緩沖，添加纖維素酶、 β -葡萄糖苷酶和木聚糖酶，酶解36-72小時。本發(fā)明所述方法將木質(zhì)纖維素原料進行粗粉碎，然后利用膠體磨對粉碎物料進行 混合，最后在均質(zhì)作用下使植物細胞壁在高壓下破碎，釋放出纖維素，減小纖維素的結(jié)晶 度，以利于進行酶解，提高纖維素的糖化率。所述均質(zhì)是將預混物料在高壓下以低流速進入閥區(qū)，當物料進入可控制的閥座與 閥桿之間的微小縫隙時，流速突然增加，其值可達300米/秒，與此同時，相應的產(chǎn)生巨大的 壓降，在極短的時間及很小的空間內(nèi)形成強烈的空穴效應和渦流作用，并與均質(zhì)環(huán)產(chǎn)生高 速撞擊，對物料顆粒產(chǎn)生強大的剪切和破碎作用。通過上述作用，使原先較粗大的懸浮液加 工呈超微細的，均勻的穩(wěn)定的液一固相分散物。所述木質(zhì)纖維素原料包括秸稈類、草類、木材類、玉米芯、水果渣、甘蔗渣。步驟O)中優(yōu)選所述顆粒和水質(zhì)量比在1 1-5，分散時間1-2小時，溫度為 70-90 "C。步驟C3)所述高壓優(yōu)選均質(zhì)的壓力在50-100大氣壓，處理時間1_2小時，溫度為 60-85 "C。步驟(4)所述纖維素酶的添加量優(yōu)選為每克木質(zhì)纖維素原料10-60個國際單位。步驟(4)所述β -葡萄糖苷酶的添加量優(yōu)選為每克木質(zhì)纖維素原料40-100個國 際單位。步驟(4)所述木聚糖酶的添加量優(yōu)選為每克木質(zhì)纖維素原料60-120個國際單位。步驟⑷所述醋酸鈉及醋酸緩沖溶液ρΗ值優(yōu)選為4. 8-5. 8。步驟(4)所述酶解溫度優(yōu)選為40-55 °C，轉(zhuǎn)速優(yōu)選為80_160rpm。本發(fā)明將玉米秸稈、麥稈、甘蔗渣、水果渣、木屑等農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活廢棄的生物質(zhì) 資源用葉片式粉碎機粉碎成不同粒度范圍的顆粒，將80 μ m-100 μ m的部分樣品加入一定 比例的水，用膠體磨分散，細度控制在40-80 μ m,粉碎后進入均制機，直接將細胞壁破碎，釋 放木質(zhì)素和半纖維素，露出包裹在里面的纖維素晶體顆粒，粒度控制在10-40 μ m，有利于纖 維素酶的直接水解，然后加入醋酸鈉-醋酸緩沖溶液樣品，PH值控制在4. 8-5. 5，再加混合 纖維素酶和木聚糖酶，進行酶解。在具體實施方式
中樣品的粉碎用粉碎機將木質(zhì)纖維素類樣品粉碎成不同粒度范 圍的顆粒，粉碎后用目篩篩出需要的不同尺寸范圍的樣品，得到已過目0. 08mm-0. Imm目篩 80-100 μ m的部分樣品。
在具體實施方式
中樣品的高度分散是將樣品和水按照一定比例混合，輸送到分體 式膠體磨中，通過剪切、研磨、高頻震動獲得破碎后的樣品，除料粒徑在40-80 μ m。按照本發(fā)明所述方法，木質(zhì)纖維素原料分散至粒徑為10-40 μ m后，在混合酶的作 用下進行有效的酶解，酶解液中可發(fā)酵糖濃度可達到148-155g/L，水解率達到95% -98%。本發(fā)明所述方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的處理方法副產(chǎn)物復雜，設(shè)備要求高，溫度高，成 本大的缺陷，既可減少成本又可避免使用化學試劑或高溫環(huán)境，避免對環(huán)境產(chǎn)生污染或產(chǎn) 生副產(chǎn)物，是一種無污染而且高效的處理方法，為燃料乙醇和生物化工產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn) 提供了一種切實可行的途徑。


圖1為秸稈原料預處理前的電鏡掃描圖；圖2為秸稈原料經(jīng)過膠體磨和均質(zhì)機分散后的電鏡掃描圖；圖3為不同方法處理后秸稈的糖化曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，進一步闡述本發(fā)明具體實施方式
對本發(fā)明技術(shù)方案的實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā) 明的保護范圍不限于下述的實施例。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照 常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。在具體實施方式
中樣品的粉碎用粉碎機將木質(zhì)纖維素類樣品粉碎成不同粒度范 圍的顆粒，粉碎后用目篩篩出需要的不同尺寸范圍的樣品，得到已過目0. 08mm-0. Imm目篩 80-100 μ m的部分樣品。產(chǎn)量每小時兩噸，設(shè)備功率為15kw。在具體實施方式
中樣品的高度分散是將樣品和水按照一定比例混合，泵輸送到JM 系列分體式膠體磨中，通過剪切、研磨、高頻震動獲得破碎后的樣品，除料粒徑在40-80 μ m。 要求最大進料顆粒尺寸小于500微米，最高進料溫度小于90°C，產(chǎn)量1噸/小時，設(shè)備功率 為 5. 5kw0高壓破碎將經(jīng)過膠體磨粉碎后的漿體用泵輸送到高壓均質(zhì)機。均質(zhì)是在均質(zhì) 閥內(nèi)進行的，未經(jīng)均質(zhì)的預混物料，通過往復泵的增加，以高壓和低流速進入閥區(qū)，當物料 進入可控制的閥座與閥桿之間的微小縫隙時，流速突然增加，其值可達300米/秒，與此同 時，相應的要產(chǎn)生巨大的壓降，在極短的時間及很小的空間內(nèi)形成強烈的空穴效應和渦流 作用，并與均質(zhì)環(huán)產(chǎn)生高速撞擊。對物料顆粒產(chǎn)生強大的剪切和破碎作用。通過上述作 用，使原先較粗大的懸浮液加工呈超微細的，均勻的穩(wěn)定的液-固相分散物。除料粒徑達到 10-40 μ m,利于酶的糖化過程。最大壓力為100大氣壓，處理量為120L/小時，設(shè)備功率為 3. Okw0實施例1 本發(fā)明所述方法預處理木質(zhì)纖維素原料本實施例使用的木質(zhì)纖維素原料是從湖北宜昌周邊地區(qū)采購的玉米秸稈、麥稈、 木屑、蘋果渣等。將木質(zhì)纖維素原料晾干震動除泥。1、粗粉碎將秸稈分別用粉碎機粉碎，過lmm、0. 5mm、0. lmm、0. 08mm篩子，收集100-80 μ m上顆粒物。2、快速分散將其中粒徑范圍為80-100 μ m的秸稈顆粒加入1 1的水，攪勻后用泵打入膠體 磨，分散時間1小時，處理溫度控制在70°C，得到分散均勻的粒度在40_80μπι的懸浮液。3、高壓均質(zhì)將分散均勻的粒度在40-80 μ m的懸浮液，利用泵輸送到高壓均質(zhì)機中，均質(zhì)壓力 在50大氣壓，處理時間2小時，溫度在60°C，實現(xiàn)了秸稈細胞壁的高壓破碎。得到分散粒度 在10-40 μ m的懸浮液。待降溫至50°C左右，即可加入相應的混合酶，進入酶解階段。4、酶解將分散均勻的粒度在10-40 μ m的懸浮液，利用泵輸送到酶解反應釜中，酶解溫度 為40°C，轉(zhuǎn)速為80rpm。添加纖維素酶和β _葡萄糖苷酶，纖維素酶和和β _葡萄糖苷酶， 纖維素酶的添加量為每克木質(zhì)纖維素原料10個國際單位，β -葡萄糖苷酶的添加量為每克 木質(zhì)纖維素原料40個國際單位，木聚糖酶的添加量為每克木質(zhì)纖維素原料60個國際單位。 酶解36小時，用高效液相蒸發(fā)光散射法S法測定酶解液中糖的含量，每升酶解液中含150 克的可發(fā)酵糖，得到纖維素水解率為95%。其計算依據(jù)為纖維素水解率=酶解后所得葡萄糖的質(zhì)量/(木質(zhì)纖維素原料含有的纖維素質(zhì) 量 XL 1) X 100%實施例2 本發(fā)明所述方法預處理木質(zhì)纖維素原料1、粗粉碎將蘋果渣分別用粉碎機粉碎，過lmm、0. 5mm、0. lmm、0. 08mm篩子，收集100-80 μ m
上顆粒物。2、快速分散將其中粒徑范圍為80-100 μ m的秸稈顆粒加入1 5的水，攪勻后用泵打入膠體 磨，分散時間2小時，處理溫度控制在90°C，得到分散均勻的粒度在40-80 μ m的懸浮液。3、高壓均質(zhì)將分散均勻的粒度在40-80 μ m的懸浮液，利用泵輸送到高壓均質(zhì)機中，均質(zhì)壓力 在100大氣壓，處理時間1小時，溫度在85°C，實現(xiàn)了秸稈細胞壁的高壓破碎。得到分散粒 度在10-40 μ m的懸浮液。待降溫后，即可加入相應的混合酶，進入酶解階段。取懸浮液中的 顆粒電鏡觀察，見圖2 ；與圖1的秸稈原料預處理前的掃描電鏡圖形成對比，可看出本發(fā)明 所述方法處理后秸稈空隙率增加，纖維素結(jié)構(gòu)變得疏松，這種結(jié)構(gòu)改變有利于提高糖化率。4、酶解將分散均勻的粒度在10-40 μ m的懸浮液，利用泵輸送到酶解反應釜中，酶解溫度 為55°C，轉(zhuǎn)速為160rpm。添加纖維素酶和β _葡萄糖苷酶，纖維素酶和和β _葡萄糖苷酶， 纖維素酶的添加量為每克木質(zhì)纖維素原料60個國際單位，β -葡萄糖苷酶的添加量為每克 木質(zhì)纖維素原料100個國際單位，木聚糖酶的添加量為每克木質(zhì)纖維素原料120個國際單 位，酶解72小時，用高效液相蒸發(fā)光散射法S法測定酶解液中糖的含量，每升酶解液中含 160克的可發(fā)酵糖，得到纖維素水解率為98%。其計算依據(jù)為纖維素水解率=酶解后所得葡萄糖的質(zhì)量/(木質(zhì)纖維素原料含有的纖維素質(zhì) 量 XL 1) X 100%
實施例3 本發(fā)明所述方法預處理木質(zhì)纖維素原料與其他方法的比較方法1 酸法處理將體積分數(shù)為4%的稀硫酸，木質(zhì)纖維素原料和水的比例為1 3投入反應釜中， 在140-160°C下處理10-30min。然后抽濾，調(diào)整pH值為中性，即得到酸法處理的木質(zhì)纖維 素。室溫晾干后，采用酶解方法水解。用高效液相蒸發(fā)光散射法S法測定酶解液中糖的含量。方法2 堿法處理將體積分數(shù)為1. 0%的氫氧化鈉，以木質(zhì)纖維素原料和水的比例為1 3比投入反 應釜中，在70-90°C下處理2.證后抽濾。濾液調(diào)整pH值為中性。得到堿法處理的木質(zhì)纖維 素。室溫晾干后，酶解方法水解。用高效液相蒸發(fā)光散射法S法測定酶解液中糖的含量。方法3 蒸汽爆破法處理將木質(zhì)纖維素原料和水按重量比1 1投入爆破釜中，通入蒸汽，升壓至 0. 8MP097382a-l. 8MP097382a，反應8_15min?？刂茪鈩娱y瞬間泄壓，在壓差作用下，使原料 通過旋風分離進入接收容器中。原料冷卻，得到濾渣。室溫晾干后，采用實例5的酶解方法 水解。用高效液相蒸發(fā)光散射法S法測定酶解液中糖的含量。將實施例1和實施例2處理的秸稈按要求進行糖化，與酸法、堿法、蒸汽爆破法處 理后的秸稈糖化效果進行比較，結(jié)果見圖3。結(jié)果顯示，本發(fā)明所述方法處理后的糖化效果 優(yōu)于其他四種處理方法的糖化效果，糖濃度可以達到150g/L左右。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來 說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種木質(zhì)纖維素原料的處理方法，包括如下步驟步驟1 將木質(zhì)纖維素原料粉碎后過篩，取粒徑為0. 08mm-0. Imm的顆粒備用； 步驟2 將步驟1所得顆粒和水混合，經(jīng)膠體磨分散形成顆粒粒徑為40-80 μ m的懸浮液；步驟3 將步驟2所得懸浮液經(jīng)高壓均質(zhì)至顆粒粒徑為10-40 μ m ； 步驟4 將步驟3所得懸浮液用醋酸鈉及醋酸緩沖溶液緩沖，添加纖維素酶、β -葡萄糖 苷酶和木聚糖酶，酶解36-72小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于所述木質(zhì)纖維素原料包括秸稈類、草 類、木材類、玉米芯、水果渣、甘蔗渣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于步驟2中所述顆粒和水的質(zhì)量比在 1 1-5，分散時間1-2小時，溫度為70-900C 0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于步驟3所述高壓均質(zhì)的壓力在 50-100大氣壓，處理時間1-2小時，溫度為60-85°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于步驟4所述纖維素酶的添加量為每 克木質(zhì)纖維素原料10-60個國際單位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于步驟4所述β-葡萄糖苷酶的添加 量為每克木質(zhì)纖維素原料40-100個國際單位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于步驟4所述木聚糖酶的添加量為每 克木質(zhì)纖維素原料60-120個國際單位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于步驟4所述醋酸鈉及醋酸緩沖溶液 PH 值為 4. 8-5. 8。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于步驟4所述酶解溫度為40-55°C，轉(zhuǎn) 速為 80-160rpm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種木質(zhì)纖維素原料的處理方法，包括粉碎、高度分散和高壓破碎及酶解步驟。經(jīng)本發(fā)明所述方法處理的木質(zhì)纖維素原料分散至粒徑為10-40μm，在混合酶的作用下進行有效的酶解，水解率達95％-98％。利用本發(fā)明所述方法處理木質(zhì)纖維素原料，得到的可發(fā)酵糖濃度達到148-155g/L。本發(fā)明所述方法酶用量低、糖化率高，且無需額外添加任何化學試劑，成本低，可滿足生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，具有工業(yè)化應用前景。
文檔編號C12P19/04GK102115994SQ201010003009
公開日2011年7月6日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者余明華, 俞學鋒, 劉代武, 姚鵑, 李志軍, 李知洪, 雷錦成, 龔大春 申請人:安琪酵母股份有限公司