一種選擇性降解玉米芯半纖維素提高木糖得率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)生物質(zhì)綜合生物煉制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種選擇性降解玉米芯 半纖維素提高木糖得率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 玉米是世界上分布最廣泛的農(nóng)作物之一，就種植面積而言，僅次于小麥和水稻位 列第三。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米的產(chǎn)量和種植面積僅次于美國(guó)而居于世界第二。2013年 我國(guó)的玉米產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到21848.9萬(wàn)t，玉米芯的產(chǎn)量約為3714.313萬(wàn)t。玉米芯主要含有纖 維素40-45%，半纖維素30-35%，木質(zhì)素10-20%，灰分及少量含氮化合物。其中木聚糖型的 半纖維素含量約30%，是生產(chǎn)木糖潛力極高的木質(zhì)纖維素原料。
[0003]在木質(zhì)纖維素中，半纖維素作為粘合劑纏繞在纖維素和木質(zhì)素之間，木質(zhì)素具有 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加固著纖維素和半纖維素，并粘連著植物細(xì)胞。其中，纖維素和半纖維素兩大組 分的理化性質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表1;木質(zhì)素是一類(lèi)由聚合的芳香醇構(gòu)成的高分子聚合物，共有三種基 本結(jié)構(gòu)(非縮合型結(jié)構(gòu)），即愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)，在酸性環(huán)境中難 以水解。木質(zhì)素、半纖維素和木質(zhì)素三大組分的理化差異，為木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)拆分和功能 化利用提供了可能性。 表1纖維素與半纖維素的理化差異
[0004] 預(yù)處理能夠破壞玉米芯的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和組分障礙，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料組分分離和 定向轉(zhuǎn)化。預(yù)處理可將玉米芯中的半纖維素降解，然后通過(guò)熱水浸提將其產(chǎn)物木糖等回收， 從而進(jìn)行高附加值的木糖產(chǎn)品生產(chǎn)。因此，尋找一種經(jīng)濟(jì)可行的選擇性高效降解半纖維素 的預(yù)處理方式成為關(guān)注焦點(diǎn)。目前工業(yè)上主要利用稀酸預(yù)處理玉米芯生產(chǎn)木糖，美國(guó)可再 生能源實(shí)驗(yàn)室也支持稀硫酸預(yù)處理。但其存在諸多問(wèn)題如:環(huán)境污染、設(shè)備腐蝕等。
[0005] 多項(xiàng)研究表明蒸汽爆破技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)木質(zhì)纖維素原料的組分分離，并高效 降解半纖維素的預(yù)處理方法。蒸汽爆破表現(xiàn)出了高效率、低能耗、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái) 受到了各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，但仍存在半纖維素水解不徹底，木糖得率低等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種綜合利用玉米芯等生物質(zhì)資源的選擇性降解玉米芯半 纖維素提高木糖得率的方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種選擇性降解玉米芯半纖維素提 高木糖得率的方法，包括以下步驟： ① 將玉米芯粉碎； ② 步驟①粉碎后的玉米芯中加入0.02~0.2wt%H2S〇4,在115~125°C下酸處理20~ 30min;然后將酸處理后的玉米芯水洗后烘干； ③ 玉米芯浸潤(rùn)：將步驟②烘干后的玉米芯加入到無(wú)機(jī)鹽溶液中，攪拌均勻，放置6~ 12h； ④ 將步驟③浸潤(rùn)后的玉米芯進(jìn)行蒸汽爆破處理； ⑤ 將步驟④蒸汽爆破處理后的玉米芯在50~60°C水中浸取，過(guò)濾得到浸取液和不溶性 固體。
[0008] 所述步驟①中的玉米芯粉碎到粒度為2cm以下。
[0009] 步驟②中所用步驟①粉碎后的玉米芯與0.02~0.2wt % H2S〇4的固液比為1: 3~1: 10 (kg/L);酸處理后的玉米芯水洗時(shí)，所用水與酸處理后的玉米芯的固液比為5~10:1 (kg/ L)〇
[0010] 步驟③所加入的無(wú)機(jī)鹽溶液的質(zhì)量為步驟②烘干后的玉米芯質(zhì)量的0.2~0.6倍； 步驟③中所述無(wú)機(jī)鹽溶液的濃度為〇. 05~0.3mol/L。
[0011] 所述步驟④中蒸汽爆破處理工藝條件為蒸汽壓力〇 . 8~2. OMPa、保壓時(shí)間120~ 600s〇
[0012] 所述步驟⑤中步驟④蒸汽爆破處理后的玉米芯在50~60°C水中浸取分兩次進(jìn)行， 具體過(guò)程如下：按固液比1:5~1:10(kg/L)向步驟④蒸汽爆破處理后的玉米芯中加入水，然 后在25~60 °C下浸取1~6h，過(guò)濾得到浸取液和固體;將固體按固液比1: 5~1:10 (kg/L)加 入水，然后在25~60°C下浸取1~6h，過(guò)濾得到浸取液和不溶性固體;將兩次的浸取液合并。
[0013] 所述無(wú)機(jī)鹽溶液中的無(wú)機(jī)鹽為恥(：1、順4(：1』62(3〇4)3心(：1 3』6(脳)3和]\%(：12中的 任一種。
[0014] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是，本發(fā)明基于瞬時(shí)彈射式蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)，通過(guò)少 量無(wú)機(jī)鹽的浸潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中半纖維素的選擇性降解，極大提高了木糖 的收率。本方法可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢棄物如甘蔗渣、麥草、稻草、玉米秸桿、玉米芯等各種農(nóng)業(yè)廢 棄物。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
[0016] 以下實(shí)施例中玉米芯取自河南省林州市，75°C下烘干后使用。瞬時(shí)彈射式蒸汽爆 破機(jī)，購(gòu)自河南鶴壁正道生物能源有限公司。
[0017] 實(shí)施例i 一種選擇性降解玉米芯半纖維素提高木糖得率的方法，包括以下步驟： ① 將玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步驟①粉碎后的玉米芯按固液比為1: 5 (kg/L)加入0. lwt %H2S〇4，在121°C下酸處理 30min;然后將酸處理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 8L)后烘干； ③ 玉米芯浸潤(rùn):將步驟②烘干后的玉米芯加入到O.lmol/LNaCl溶液(NaCl溶液的質(zhì)量 為步驟②烘干后的玉米芯質(zhì)量的0.6倍)中，攪拌均勻，放置12h; ④ 將步驟③浸潤(rùn)后的玉米芯在瞬時(shí)彈射式蒸汽爆破機(jī)中進(jìn)行蒸汽爆破處理，蒸汽爆破 處理工藝條件為蒸汽壓力1 ? 4MPa、保壓時(shí)間300s; ⑤ 按固液比1:10 (kg/L)向步驟④蒸汽爆破處理后的玉米芯中加入水，然后在60 °C下浸 取lh，過(guò)濾得到浸取液和固體;將固體按固液比1:10 (kg/L)加入水，然后在60 °C下浸取lh， 過(guò)濾得到浸取液和不溶性固體;將兩次的浸取液合并。
[0018] 實(shí)施例2 一種選擇性降解玉米芯半纖維素提高木糖得率的方法，包括以下步驟： ① 將玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步驟①粉碎后的玉米芯按固液比為1: 3 (kg/L)加入0.02wt % H2S〇4，在115 °C下酸處 理20min;然后將酸處理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 5L)后烘干； ③ 玉米芯浸潤(rùn):將步驟②烘干后的玉米芯加入到0.3mo 1/LNH4C1溶液(NH4C1溶液的質(zhì) 量為步驟②烘干后的玉米芯質(zhì)量的0.2倍）中，攪拌均勻，放置6h; ④ 將步驟③浸潤(rùn)后的玉米芯在瞬時(shí)彈射式蒸汽爆破機(jī)中進(jìn)行蒸汽爆破處理，蒸汽爆破 處理工藝條件為蒸汽壓力0.8MPa、保壓時(shí)間600s; ⑤ 按固液比1:5(kg/L)向步驟④蒸汽爆破處理后的玉米芯中加入水，然后在25°C下浸 取6h，過(guò)濾得到浸取液和固體;將固體按固液比1: 5 (kg/L)加入水，然后在25 °C下浸取16h， 過(guò)濾得到浸取液和不溶性固體;將兩次的浸取液合并。
[0019] 實(shí)施例3 一種選擇性降解玉米芯半纖維素提高木糖得率的方法，包括以下步驟： ① 將玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步驟①粉碎后的玉米芯按固液比為1:1 〇 (kg/L)加入0.2wt %H2S〇4，在125 °C下酸處 理25min;然后將酸處理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 10L)后烘干； ③ 玉米芯浸潤(rùn):將步驟②烘干后的玉米芯加入到0.1mol/LMgCl2溶液(MgCl2溶液的質(zhì) 量為步驟②烘干后的玉米芯質(zhì)量的0.4倍）中，攪拌均勻，放置8h; ④ 將步驟③浸潤(rùn)后的玉米芯在瞬時(shí)彈射式蒸汽爆破機(jī)中進(jìn)行蒸汽爆破處理，蒸汽爆破 處理工藝條件為蒸汽壓力2.0MPa、保壓時(shí)間120s; ⑤ 按固液比1:8(kg/L)向步驟④蒸汽爆破處理后的玉米芯中加入水，然后在45°C下浸 取3h，過(guò)濾得到浸取液和固體;將固體按固液比l:8(kg/L)加入水，然后在45°C下浸取3h，過(guò) 濾得到浸取液和不溶性固體;將兩次的浸取液合并。
[0020] 實(shí)施例4 一種選擇性降解玉米芯半纖維素提高木糖得率的方法，包括以下步驟： ① 將玉米芯粉碎至粒度2cm以下； ② 步驟①粉碎后的玉米芯按固液比為1:6 (kg/L)加入0.05wt % H2S〇4，在105 °C下酸處 理30min;然后將酸處理后的玉米芯水洗(固液比lkg: 6L)后烘干； ③ 玉米芯浸潤(rùn):將步驟②烘干后的玉米芯加入到0. lmol/L FeCl3溶液(所用FeCl3溶液 的質(zhì)量為步驟②烘干后的玉米芯質(zhì)量的0.3倍)中，攪拌均勻，放置10h; ④ 將步驟③浸潤(rùn)后的玉米芯在瞬時(shí)彈射式蒸汽爆破機(jī)中進(jìn)行蒸汽爆破處理，蒸汽爆破 處理工藝條件為蒸汽壓力1 ? OMPa、保壓時(shí)間240s; ⑤按固液比1: 5(kg/L)向步驟④蒸汽爆破處理后的玉米芯中加入水，然后在60°C下浸 取2h，過(guò)濾得到浸取液和固體;將固體按固液比1:1