一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法及其应用

1.本发明属于农林生物质综合利用领域，具体涉及一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法及其应用。


背景技术：

2.随着化石能源的日益短缺以及与日俱增的能源供给需求，探寻和发展可再生能源迫在眉睫。果壳类生物质是木质纤维素生物质的一种，属于农林废弃物，其含有丰富的纤维素和半纤维素，可以水解为可发酵单糖，从而进一步转化为生物燃料。生物质中纤维素、半纤维素及木质素之间存在大量氢键、共价键以及非共价键，形成了致密的结构网络，阻碍了其直接利用，通常需要进行预处理来破坏其结构，改善生物质原料的溶液渗透性和酶的可及性，进而促进其水解转化为单糖和进一步利用。相比于秸秆类农林废弃物，果壳类生物质通常含有更多的木质素，质地较硬，预处理难度更大。
3.生物质预处理方法包括物理法、化学法、生物法以及组合处理法，物理法能耗高，生物法处理周期长，化学法或将其与其他方法组合使用是目前主流的生物质预处理方法。其中，低共熔溶剂(des)是新一代的离子液体(il),通常被认为具有无毒，生物相容性好，成本低、绿色环保等优点。
4.现有技术中，授权公告号为cn 108441530b的专利授权文件，公开了一种利用碱性低共熔溶剂预处理秸秆类木质纤维素的方法，提高了预处理残渣中半纤维素糖的含量和酶解后总糖收率，其中醇胺类低共熔溶剂表现较好。但低共熔溶剂一般由2种或以上的有机溶剂通过加热合成，增加了预处理成本，且预处理过程引入水分会影响预处理效果及后续溶剂的回收，容易造成环境污染。
5.qammer等人(qammer z.,matthew j.e.,et al.are deep eutectic solvents really green？:a life-cycle perspective.green chem,2022,advance article)通过生命周期评估，对比了氯化胆碱与尿素、乙二醇、甘油、柠檬酸及葡萄糖形成的des与普通有机试剂(甲醇、乙醇、二氯甲烷和乙酸乙酯)对环境的影响，结果表明des比甲醇和乙醇对环境的影响大。因此，开发一种经济高效、绿色环保、可持续的果壳类生物质预处理方法是促进废物利用和生物能源规模化生产的关键。


技术实现要素：

6.针对现有技术的上述不足，本发明的首要目的是提供一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法。该方法利用利用碱性乙醇胺溶液，能够选择性的脱除木质素，保留纤维素和大部分半纤维素，有效提高预处理残渣的酶解效率，增加总糖得率。该方法成本低廉，易于操作，溶剂可回收利用，对环境友好。
7.本发明的再一目的是提供上述方法在生物燃料制备中的应用。
8.本发明目的通过以下技术方案实现：
9.一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法，包括以下步骤：
10.(1)将果壳类生物质原料粉碎，使用丙酮水溶液抽提至无色，干燥抽提后的原料；
11.(2)按一定的固液比混合步骤(1)中抽提后的原料和乙醇胺水溶液，进行加热预处理；
12.(3)分离步骤(2)中预处理后的固液混合物，得到固体组分和液体组分，用洗涤液洗涤固体组分，得到富含纤维素和半纤维素的预处理残渣；
13.(4)旋转蒸发步骤(3)中的液体组分，回收乙醇胺水溶液，然后于浓缩后的液体组分中通入co2，沉淀木质素；
14.(5)将步骤(3)中的预处理残渣按一定质量浓度加入到由复合纤维素酶、柠檬酸钠缓冲液和水组成的酶解体系中酶解，得到可发酵糖。
15.进一步的，步骤(1)中所述果壳类生物质原料为油茶果壳、椰子壳、橄榄果壳、油棕果壳、核桃壳或杏仁壳的一种或两者以上；更优选的，所述生物质原料为农林废弃物油茶果壳。
16.进一步的，步骤(2)中所述原料与乙醇胺溶液的固液比为1:2-1:20；更优选的，所述原料与乙醇胺溶液的固液比为1:2-1:10。
17.进一步的，步骤(2)中所述的乙醇胺水溶液的浓度为(w/w)25％-100％；更优选的，所述乙醇胺水溶液的浓度为75％-100％。
18.进一步的，所述丙酮水溶液的浓度为50％-90％(v/v)，步骤(2)中所述的预处理条件为：温度为70-130℃，时间为1-3h，搅拌速率为500-1000rpm；更优选的，所述丙酮水溶液的浓度为80％，所述的温度为90-130℃，时间为1-3h，搅拌速率为500rpm。
19.进一步的，步骤(1)所述粉碎为粉碎至40-60目，所述干燥为热风干燥；步骤(3)中所述的固液分离方式为离心或真空抽滤；更优选的，所述固液分离方式为离心分离。
20.进一步的，步骤(3)中所述的洗涤液为乙醇或水；更优选的，所述的洗涤液为去离子水。
21.进一步的，步骤(4)中所述的co2通入条件为：压力为0.2-0.5mpa,时间为10-30min；更优选的，所述的co2通入条件为：压力为0.2mpa，时间为20min。
22.进一步的，步骤(5)中所述预处理残渣的质量浓度为1％-5％，复合纤维素酶为诺维信celluclast 1.5l,cellicctec 2或cellicctec 3，添加量为20-100fpu/g预处理残渣；更优选的，所述预处理残渣的质量浓度为1％，复合纤维素酶为诺维信cellicctec 3，添加量为20fpu/g预处理残渣。
23.进一步的，步骤(5)中所述酶解条件为：ph为4.8-5.5，温度为45-55℃，酶解时间为48-96h；更优选的，所述酶解条件为：ph为5.0，温度为50℃，酶解时间为72h。
24.上述方法在生物燃料制备中的应用。
25.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
26.(1)本发明提供的预处理方法，简单易操作，成本低，无毒无害，溶剂可回收，对环境友好。
27.(2)本发明提供的预处理方法，能够选择性脱除木质素，保留纤维素和大部分半纤维素，显著提高预处理残渣的酶解糖化效果，增加可发酵糖得率，可发酵糖得率可高达79.43％，有利于后期转化为生物燃料。
28.(3)本发明提供的果壳类生物质预处理方法，在生物燃料制备领域具有良好的应
用潜力。
附图说明
29.图1为本发明预处理方法流程图。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
31.复合纤维素酶cellicctec 3购自于诺维信(中国)投资有限公司。
32.实施例1
33.一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法，包括以下步骤：
34.将油茶果壳原料粉碎至40-60目，经80％丙酮水溶液(v/v)抽提后在60℃下恒温烘干。称取一定量抽提后原料按照1:10固液比加入100％乙醇胺溶液，于90℃，以500rpm的转速搅拌加热处理1h。预处理完成后采用离心方式进行固液分离，将固体部分用去离子水洗涤至无色，得到预处理残渣，冷冻保存用于后续酶解糖化。将液体部分旋转蒸发，回收乙醇胺，然后向浓缩的液体组分中通入0.2mpa的co
2 20min以沉淀木质素。预处理残渣按照1％的质量浓度加入到ph为4.8的柠檬酸钠缓冲液中，按照20fpu/g预处理残渣的比例加入复合纤维素酶cellicctec 3,在50℃，150rpm的水浴摇床中酶解72h得到可发酵糖。
35.实施例2
36.一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法，包括以下步骤：
37.将油茶果壳原料粉碎至40-60目，经80％丙酮水溶液(v/v)抽提后在60℃下恒温烘干。称取一定量抽提后原料按照1:10固液比加入100％乙醇胺溶液，于110℃，以500rpm的转速搅拌加热处理3h。预处理完成后采用离心方式进行固液分离，将固体部分用去离子水洗涤至无色，得到预处理残渣，冷冻保存用于后续酶解糖化。将液体部分旋转蒸发，回收乙醇胺，然后向浓缩的液体组分中通入0.2mpa的co
2 20min以沉淀木质素。预处理残渣按照1％的质量浓度加入到ph为4.8的柠檬酸钠缓冲液中，按照20fpu/g预处理残渣的比例加入复合纤维素酶cellicctec 3,在50℃，150rpm的水浴摇床中酶解72h得到可发酵糖。
38.实施例3
39.一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法，包括以下步骤：
40.将油茶果壳原料粉碎至40-60目，经80％丙酮水溶液(v/v)抽提后在60℃下恒温烘干。称取一定量抽提后原料按照1:10固液比加入100％乙醇胺溶液，于130℃，以500rpm的转速搅拌加热处理3h。预处理完成后采用离心方式进行固液分离，将固体部分用去离子水洗涤至无色，得到预处理残渣，冷冻保存用于后续酶解糖化。将液体部分旋转蒸发，回收乙醇胺，然后向浓缩的液体组分中通入0.2mpa的co
2 20min以沉淀木质素。预处理残渣按照1％的质量浓度加入到ph为4.8的柠檬酸钠缓冲液中，按照20fpu/g预处理残渣的比例加入复合纤维素酶cellicctec 3，在50℃，150rpm的水浴摇床中酶解72h得到可发酵糖。
41.实施例4
42.一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法，包括以下步骤：
43.将油茶果壳原料粉碎至40-60目，经80％丙酮水溶液(v/v)抽提后在60℃下恒温烘
干。称取一定量抽提后原料按照1:2固液比加入100％乙醇胺溶液，于125℃，以500rpm的转速搅拌加热处理3h。预处理完成后采用离心方式进行固液分离，将固体部分用去离子水洗涤至无色，得到预处理残渣，冷冻保存用于后续酶解糖化。将液体部分旋转蒸发，回收乙醇胺，然后向浓缩的液体组分中通入0.2mpa的co
2 20min以沉淀木质素。预处理残渣按照1％的质量浓度加入到ph为4.8的柠檬酸钠缓冲液中，按照20fpu/g预处理残渣的比例加入复合纤维素酶cellicctec 3,在50℃，150rpm的水浴摇床中酶解72h得到可发酵糖。
44.实施例5
45.一种提高果壳类生物质酶解糖化效果的预处理方法，包括以下步骤：
46.将油茶果壳原料粉碎至40-60目，经80％丙酮水溶液(v/v)抽提后在60℃下恒温烘干。称取一定量抽提后原料按照1:10固液比加入50％乙醇胺水溶液(w/w)，于130℃，以500rpm的转速搅拌加热处理3h。预处理完成后采用离心方式进行固液分离，将固体部分用去离子水洗涤至无色，得到预处理残渣，冷冻保存用于后续酶解糖化。将液体部分旋转蒸发，回收乙醇胺，然后向浓缩的液体组分中通入0.2mpa的co
2 20min以沉淀木质素。预处理残渣按照1％的质量浓度加入到ph为4.8的柠檬酸钠缓冲液中，按照20fpu/g预处理残渣的比例加入复合纤维素酶cellicctec 3,在50℃，150rpm的水浴摇床中酶解72h得到可发酵糖。
47.实施例6
48.乙醇胺水溶液处理完油茶果壳后，其循环回用包括以下步骤：
49.实施例3中液体部分于45℃真空旋转蒸发器中蒸发回收乙醇胺溶液，回收的乙醇胺溶液无需纯化，直接按照实施例3中所述步骤对油茶果壳进行预处理，如此循环回用4次。
50.对比例1
51.为了充分说明乙醇胺水溶液处理能够有效提高油茶果壳预处理残渣的酶解糖化效果，分析油茶果壳原料直接酶解的单糖得率，作为对比实施例，包括以下步骤：
52.将油茶果壳原料粉碎至40-60目，经80％丙酮水溶液(v/v)抽提后在60℃下恒温烘干。抽提后的油茶果壳按照1％的质量浓度加入到ph为4.8的柠檬酸钠缓冲液中，按照20fpu/g油茶果壳原料的比例加入复合纤维素酶cellicctec 3,在50℃，150rpm的水浴摇床中酶解72h得到可发酵糖。
53.对比例2
54.为了进一步说明乙醇胺水溶液预处理在改善酶解糖化效果的同时，降低预处理成本，采用摩尔比为1:6的氯化胆碱-乙醇胺低共熔溶剂预处理油茶果壳，作为对比例，包括以下步骤：
55.将油茶果壳原料粉碎至40-60目，经80％丙酮水溶液(v/v)抽提后在60℃下恒温烘干。按摩尔比1:6混合氯化胆碱和乙醇胺两种试剂，于80℃加热2h至澄清透明，冷却后使用。称取一定量抽提后原料按照1:20固液比加入氯化胆碱-乙醇胺低共熔溶剂，于130℃，以500rpm的转速搅拌加热处理3h。预处理完成后采用离心方式进行固液分离，将固体部分用去离子水洗涤至无色，得到预处理残渣，冷冻保存用于后续酶解糖化。预处理残渣按照1％的质量浓度加入到ph为4.8的柠檬酸钠缓冲液中，按照20fpu/g预处理残渣的比例加入复合纤维素酶cellicctec 3,在50℃，150rpm的水浴摇床中酶解72h得到可发酵糖。
56.测试例
57.根据美国国家可再生能源实验室(nrel)标准分析方法对预处理油茶果壳的组分进行分析，采用高效液相色谱测定酶解液中的单糖含量。
58.由表1中的数据可知，本发明实施例列出的果壳类生物质预处理方法，能够选择性的除去木质素，近乎完全保留纤维素和大部分聚木糖，解构效果明显，酶解后葡萄糖和木糖得率分别是未处理生物质的2.75-4.24倍和49.96-70.79倍。同时，乙醇胺溶液经过四次循环回用后，预处理残渣酶解后葡萄糖和木糖得率仍能分别达到83.86％和71.70％，可回收性较好。另外，在同等条件下，相比于乙醇胺和氯化胆碱加热形成的低共熔溶剂预处理，乙醇胺溶液预处理可以得到同等或更高的酶解糖得率，进一步证实本发明具有成本低廉，简单易操作，可持续等特点，在生物质燃料领域具有广阔的应用潜力。
59.表1：油茶果壳预处理前后的组分变化与酶解糖得率(％)
[0060][0061]
注：固体回收率是指预处理之后剩余的固体的重量与预处理之前的固体生物质的重量之比。
[0062]
以上实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。