一种可实现阔叶木枝桠材高效酶解糖化的预处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物质资源与林业废弃物利用技术领域，尤其是一种可实现阔叶木枝桠材高效酶水解转化的预处理方法。
【背景技术】
[0002]随着世界人口数量的持续增加，经济的迅速发展，不可再生能源(如石油和天然气)不断地被消耗，有关研究人员预测2050年全球的原油生产将从现在的250亿桶减少到50亿桶。由于生物燃料在很多领域可以部分或者全部替代化石燃料，同时各国政府也鼓励生物燃料的发展，这使得人们更加青睐于对这种可再生能源的开发与应用。
[0003]木质纤维生物质在传统工业应用中主要用于制浆造纸行业，然而全球资源与能源的短缺不仅给其它行业带来了危机，也给该行业带来了巨大的挑战，但这也为制浆造纸行业提供了发展的契机。中国造纸协会据此发表的《造纸工业技术进步“十二五”指导意见》中多处提到生物质的资源化和利用，并明确指出:“造纸工业是采用可再生物质为原料规模最大的加工业，在物质循环利用和低碳生产技术和开发利用方面，具有独特的优势”，并强调:“日益加剧的行业竞争使传统造纸工业面临巨大的压力，把传统造纸厂转化为能够同时生产纸浆和纸、高分子材料、化学品和生物质能源的复合型生物质提炼厂，达到充分合理高值化利用植物纤维原料中的纤维素、半纤维素和木素三大组分是制浆科学研究的新发展趋势”。众所周知，制浆造纸工业对生物质资源的消耗巨大，因此，生物质精炼与制浆造纸工业相结合已是大势所趋。在生物质精炼过程中，生物乙醇是一种可再生的、绿色的汽油替代品，也将是世界上继纸浆之后的第二个生物质消费品。由于第一代乙醇是由农作物发酵而成，这将会对粮食的价格产生不利的影响。因此，以纤维素(如蔗渣、秸杆和木材等)作为原料开发并生产第二代乙醇具有非常重要的意义。
[0004]阔叶木的主干主要用于木材加工及家具制造，但在木材的加工过程中会产生大量的枝桠材废弃物。如果不对这些废弃物合理的利用，不仅造成了资源的浪费，而且也会污染环境。这些废弃的枝桠材是一种丰富的木质纤维素生物质资源，通过转化利用这些生物质资源并进一步生产一系列具有高附加值的产品，如乙醇、碳纤维、聚合物、煤油和生物柴油等产品，对资源的充分利用以及环境保护具有重要意义。
[0005]目前，尚没有一种能够实现阔叶木枝桠材中糖类组分高效转化与分离的方法。
[0006]通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种破坏生物质的顽抗性并可实现阔叶木枝桠材高效酶水解转化的预处理方法，该方法能够实现阔叶木枝桠材这种林业废弃物的高效利用，并为后续的加工利用或生产具有高附加值产品提供原料基础。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0009]—种实现阔叶木枝桠材高效酶水解转化的预处理方法，步骤如下:
[0010]⑴首先，将阔叶木枝桠材切成木片，得木片原料；
[0011 ]⑵将阔叶木枝桠材木片原料置于蒸煮器中，加入相对于木片原料绝干质量0.5%-2.0%的出504，固液比为1:4-1:10(1^:0，蒸煮温度在120-180°(:的温度下保温20-901^11，并在反应过程中使反应液不断循环喷淋，以使阔叶木枝桠材木片原料与药液充分反应，反应结束后，将预处理液与固体残渣进行分离，将反应后的木片固体残渣用水洗至中性，风干后储存备用，得处理后木片；
[0012]⑶将经过稀硫酸处理后的处理后木片进行磨解处理、消潜处理、疏解处理和脱水处理后，得脱水后浆料，然后将脱水后浆料收集并于4°C环境中储存以用于后续的生物酶处理；
[0013]⑷生物酶处理:对脱水后浆料进行生物酶处理，在进行处理之前，对所用容器进行高温灭菌处理；
[0014]在无菌条件下，向脱水后浆料中加入乙酸一乙酸钠缓冲溶液，脱水后浆料的绝干质量与乙酸一乙酸钠缓冲溶液的比例(kg:L)为1:4-1:6，充分搅拌后加入生物酶混合液，然后加入水使阔叶木浆料的质量浓度为1.0%-5.0%，无菌条件下进行生物酶水解处理，即可得单糖组分，实现阔叶木枝桠材的高效酶水解转化；
[0015]其中，所述生物酶水解处理的条件为:pH4.8，反应温度40-55°(:，反应时间10-90h，转速100-180rpm，所用纤维素酶用量为10-30FPU/g底物，半纤维素酶用量为20-80U/g底物。
[0016]而且，所述步骤⑶的具体操作步骤如下:
[0017]①将经过稀硫酸处理后的处理后木片置于密闭的反应器中，依次加入蒸馏水、相对于木片原料绝干质量1.0%-5.0%的NaOH和相对于木片原料绝干质量1.0 % -5.0 %的Na2SO3，最终配成相对于木片原料绝干质量20 %~50%的质量百分浓度，将该密闭反应器置于恒温水浴中进行化学预浸渍处理，处理温度为60-90°C，处理时间20-40min;
[0018]②经过化学预浸渍处理后，处理后木片再经过两段磨解处理:第一段为压力磨解，具体条件为:温度120-180 °C，压力0.1-0.5MPa，浆浓1 % - 40 % (质量百分数)，磨解2 -1Omin;第二段为常压磨解，具体条件为:盘磨间隙0.08-0.10mm，浆浓10%-30% (质量百分数)，得阔叶木浆料；
[0019]③两段磨解处理后，将阔叶木浆料配成浆浓1.0%_5.0%(质量百分数)，在80-90°C条件下保温10-30min进行消潜处理，然后将消潜后的阔叶木浆料疏解10000-30000转，得阔叶木浆料纤维；阔叶木浆料纤维经过筛选并收集通过0.15mm筛缝的级分，将收集到的阔叶木浆料纤维级分脱水至质量百分浓度为20%-40%，得脱水后浆料，然后将脱水后浆料收集并于4°C环境中储存以用于后续的生物酶处理；
[0020]或者，所述步骤⑶的具体操作步骤如下:
[0021]①将经过稀硫酸处理后的处理后木片置于磨解器中进行磨解处理，具体条件为:盘磨间隙0.08-0.101111]1，楽浓10%-30%(质量百分数)，得阔叶木楽料；
[0022]②磨解处理后，将阔叶木浆料配成浆浓1.0%-5.0%(质量百分数)，在80-90°C条件下保温10_30min进行消潜处理，然后将消潜后的阔叶木浆料疏解10000-30000转，得阔叶木浆料纤维；阔叶木浆料纤维经过筛选并收集通过0.15mm筛缝的级分，将收集到的阔叶木浆料纤维级分脱水至质量百分浓度为20 %-40 %，得脱水后浆料，然后将脱水后浆料收集并于4°C环境中储存以用于后续的生物酶处理；
[0023]而且，所述阔叶木为杨木、桉木、桦木、榉木、相思木中的一种或两种以上的混合物。
[0024]而且，所述步骤⑷中高温灭菌处理的条件为121°C灭菌60min。
[0025]而且，所述步骤⑷中乙酸一乙酸钠缓冲溶液的pH为4.5-5.0，其配制方法为:称取乙酸钠，加蒸馏水溶解，再加入冰乙酸，加蒸馏水稀释至乙酸钠浓度为0.5moI/L，冰乙酸的体积浓度为2.5 %，并调节pH值至4.5-5.0。
[0026]而且，所述木片原料的规格为长35mm X宽1mm X厚5mm，后经清水洗涤3-4次。
[0027]而且，所述步骤⑷中纤维素酶的酶活力为60.00FHJ/mL，半纤维素酶的酶活力为85731.51U/mLo
[0028]而且，所述反应器为密封袋。
[0029]而且，所述步骤⑷中单糖组分为葡萄糖或/和木糖。
[0030]本发明取得的优点和积极效果是:
[0031]1、本方法充分实现了阔叶木枝桠材这种林业废弃物的有效利用，不仅可以有效利用林业废弃物资源，也减轻了对环境保护的压力，是利国利民、符合国家可持续发展战略和迫在眉睫的方法，对我国国民经济的发展、清洁生产以及环境保护都具有重要意义。
[0032]2、本方法借助化学法处理、机械法处理和生物酶处理实现其主要化学组分的高效转化。阔叶木浆料经生物酶处理后，底物中纤维素转化为葡萄糖的转化率可达到93%，该方法可为后续的加工利用或生产具有高附加值产品提供原料基础，该方法清洁，操作简单、方便，成本合理。
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例，对本发明进一步说明；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。
[0034]本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
[0035]本发明中所使用的乙酸一乙酸钠缓冲溶液的pH为4.5-5.0，其配制方法为:称取乙酸钠(CH3⑶ONa.3H20)，加蒸馏水溶解，再加入冰乙酸，加蒸馏水稀释至乙酸钠浓度为
0.5mo I/L，冰乙酸的体积浓度为2.5 %，并调节pH值至4.5-5.0。
[0036]实施例1
[0037]一种实现阔叶木枝桠材高效酶水解转化的预处理方法，步骤如下:
[0038](I)首先将阔叶木枝桠材切成木片，得木片原料，选取规格约为长35mmX宽1mmX厚5mm的木片，清水洗涤3-4次；
[0039](2)将阔叶木枝桠材木片原料置于蒸煮器中，加入1.0% (相对于木片原料绝干质量)的出504，固液比为1:1O (kg: L)，蒸煮温度在160 °