[发明专利]超声波强化碱性过氧化氢预处理木质纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质资源化利用技术领域，涉及超声波强化碱性过氧化氢预处理，具体而言，利用超声波的空化作用来强化碱性过氧化氢对木质素成分的皂化和强氧化作用，以大幅度降低木质素含量，缩短作用时间，提高酶解效率。 

背景技术

以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇一方面能缓解日益严峻的能源短缺和环境污染问题，另一方面还能减少木质纤维素原料的浪费，实现资源化利用。然而，在生产过程中如何提高木质纤维素原料的水解率和利用率仍然是制约第二代燃料乙醇技术发展的瓶颈。

木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中，纤维素是由D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键联结而成的长链分子，长链分子进一步形成一种具有高度结晶区的稳定结构。且纤维素被半纤维素和木质素包裹镶嵌，彼此之间相互缠绕形成复杂紧密的结构，很难使纤维素酶直接降解其中的纤维素成分，因此需通过有效的预处理方式去除其中的木质素，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度，增加比表面积，这也是成功进行燃料乙醇转化的关键步骤和技术前提。

目前应用较多的预处理方法有物理法如机械粉碎、微波处理、超声波处理等，化学法如酸处理、碱处理、湿式氧化处理、臭氧处理等，物理化学法如蒸汽爆裂处理、以及生物法。但是传统的单一预处理方法均很难将木质纤维素原料中的木质素降低到最低程度，对去除的木质素回收利用未给予充分重视，且应用较广泛的酸预处理均会产生糠醛、HMF等发酵抑制物。因此应基于最大限度地降低阻碍纤维素酶解的木质素成分，提高原料的酶解率，减少发酵抑制物的产生，并将木质素成分回收利用的目的，寻找合适的预处理方式。考虑到不同预处理方式各自的优势，可将其进行优势组合，探索木质纤维素预处理的新思路，突破传统预处理方式的瓶颈。

发明内容

技术问题： 本发明的目的在于提供一种新型的超声波强化碱性过氧化氢预处理木质纤维素的方法，提高木质纤维素的酶解得率和原料利用率，克服传统预处理技术存在的缺陷。它是超声波强化的碱性过氧化氢预处理，能够联合超声波的空化作用和碱性过氧化氢的皂化、强氧化作用，去除抑制纤维素和半纤维素酶解的木质素成分，提高酶解原料的酶解率，有利于后续发酵过程，缩短作用时间，并实现其中成分的回收。

技术方案： 本发明的超声波强化碱性过氧化氢预处理木质纤维素的方法主要包括木质纤维素预处理、固液组分分离、组分回收、成分分析、纤维素酶解等工序，具体涉及步骤如下所述：

1）将风干的木质纤维素进行物理粉碎处理再筛分；

2）将筛分后的木质纤维素于105℃烘干至恒重，除去其中水分；

3）将烘干后的木质纤维素加入氢氧化钠溶液中进行处理，并同时进行超声波作用，间隔1～50min后加入过氧化氢继续处理，得到预处理后的反应浆料，

4）将步骤3）中预处理后的反应浆料进行固液分离，收集液态物料，不断洗涤固态物料至pH值呈中性并将其于105℃下烘干至恒重；

5）将步骤4）中收集的液态物料进行半纤维素和木质素的回收：利用HCl溶液将液态物料的pH值调至5～6，加入3倍体积的乙醇，静置2h后过滤，滤渣即为半纤维素；取其滤液在90℃下减压旋转蒸发浓缩，待乙醇完全蒸出后继续滴加HCl溶液至pH值1.5～2，静置待沉淀析出，离心后所得固体即为木质素；

6）将步骤4）中烘干后的固态物料在pH值为4.5～4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中用纤维素酶进行水解；

7）将步骤6）中水解后得到的浆料进行固液分离，液态物料主要是葡萄糖等水解糖，固态物料则是部分难降解物质。

步骤1）所述的筛分粒径为20目～60目。

步骤3）所述的NaOH溶液浓度为0.125～0.5mol/L，H₂O₂的体积分数为20～40%。

步骤3）所述的木质纤维素与NaOH溶液的固液比为1:5～1:15  g/mL，木质纤维素与H₂O₂的固液比为1:0.1～1:1 g/mL。

步骤3）所述的超声波和NaOH溶液共同作用的总时间为10～60min，超声波的作用功率为80～300W，温度为25～80℃。

步骤6）所述的纤维素酶加载量为5～50FPU/g干原料，干原料与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液的固液比为1:10～1:100  g/mL，酶解温度为50℃，酶解时间为12～72h。