[发明专利]一种超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明属于木质纤维素生物质资源化利用技术领域，具体涉及一种采用超声波辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的方法。

背景技术

木质纤维素是自然界中储量最大的可再生资源，可以通过化学和生物转化生成能源替代物质或化工产品，在化石能源物质日益枯竭和环境保护的双重压力下，木质纤维素的有效转化利用成为实现可持续发展的重要研究课题，这一课题已经列入国家中、长期科学发展规划。目前，木质纤维素的微生物转化最常用的是酶解发酵法。酶解发酵法的主要难点在于预处理技术与低成本高效酶的制取。木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素等组成，结构复杂，纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，在水解纤维素过程中木质素扮演着屏障作用。因此，预处理的作用是降低纤维素的聚合度和结晶度，将不能降解为可发酵糖的木质素组分分离脱去，并增加纤维素的反应表面积。

近年来，对木质纤维素原料的预处理方面的研究报道较多，包括采用传统的酸、碱预处理和近年新开发的气爆法、氨爆法、离子液体以及生物法等处理方法。虽然一定程度上提高了木质纤维素的酶解率，但仍然存在工序复杂、能耗和设备投资高造成预处理成本高以及预处理废液带来的环境污染等一系列问题。碱性试剂和强氧化剂组合的预处理方法被报道可有效去除生物质中的木质素，同时破坏半纤维素、纤维素之间的氢键和纤维素的晶体结构，从而破坏生物质中的顽抗结构，但相关研究文献较少。

高锰酸钾是一种强氧化剂，普遍应用于给水处理，既可以将水中的有机物氧化，也可以对水中有机物进行吸附等，起到除臭、除锰以及除铁等作用。我们的前期研究首次采用碱性高锰酸钾预处理木质纤维素，结果表明，该方法能够有效破坏木质纤维素三个组分之间的化合键连接，去除玉米芯中大部分木质素，提高后续木质纤维素的酶解得率。采用碱性高锰酸钾预处理木质纤维素，与臭氧、二氧化氯以及氯等氧化剂相比，高锰酸钾的安全性更高，较碱性过氧化氢稳定性更高、成本更低，因此，具有可行的工业化应用前景。

发明内容

本发明建立了一种利用超声波的协同能量辅助碱性高锰酸钾预处理木质纤维素的工艺方法，旨在提高木质素的去除率，纤维素和半纤维素组分的保留率，同时减少碱性高锰酸钾的用量，最终提高木质纤维素的酶解效率，降低预处理成本。具体包括以下步骤：

(1)将木质纤维素原料(玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、稻草秸秆和甘蔗渣中的任何一种或其组合)粉碎，过40～80目筛后于90℃烘干。

(2)取一定量经粉碎烘干的原料，加入碱性高锰酸钾溶液使固液比控制在1∶10～1∶30，以1∶10为佳；使碱性高锰酸钾的浓度控制为0.5～4％(w/v)，以2％为佳；预处理温度控制在30～70℃，以60℃为佳；预处理时间控制在0.5～8h，以4h为佳。

(3)经预处理后的木质纤维素残渣过滤后，用蒸馏水洗涤直至滤液pH达到中性，90℃干燥至恒重。

(4)将经上述预处理得到的残渣加入0.05mol/L pH为4.5～5.0柠檬酸缓冲液中，控制其浓度为2～10％(w/v)，以8％为佳。

(5)向上述体系中加入来源于木霉的商品化纤维素酶和木聚糖酶，分别控制酶的装载量为20～50FPU/g底物(以30FPU/g底物为佳)和5000～12000U/g底物(以8000U/g底物为佳)，45～55℃、摇床转速100～200rpm的条件下反应48～96h进行酶解，以50℃、摇床转速150rpm，酶解72h为佳。

(6)分别用DNS法和HPLC法测定水解液中还原糖和葡萄糖、木糖浓度。

本发明具有的优点：本发明首次采用超声波辅助碱性高锰酸钾的方法对木质纤维素原料进行预处理，在超声波能量的协同作用下，能够增强碱性高锰酸钾溶液对木质纤维素的浸润和溶胀作用，原料微结构分析表明，经该方法预处理后，木质纤维素原料表面蓬松多孔，结构变得松散，机械强度减弱，碱性高锰酸钾可以破坏半纤维素和木质素之间的价键连接，氧化醚键和酯键，去除溶解玉米芯中木质素，这种结构有利于纤维素酶和木聚糖酶与玉米芯的接触，利于后期的酶解。超声波辅助可提高木质素的去除率，减少高锰酸钾碱性溶液的用量，经本发明方法预处理后，木质素脱除率达50％以上，纤维素和半纤维素保留率分别可达94％和85％以上。木质纤维素的酶解率得到了大大提高。本发明方法条件温和，简单易操作，安全无污染，具有可行的工业化应用前景。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

实施例1