一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法与流程

1.本发明属于玉米秸秆预处理技术领域，特别涉及一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法。


背景技术：

2.随着全球玉米价格的持续走高，发展以玉米秸秆为主要原料的生物质工程变得愈发重要。由于玉米秸秆自身难降解的特性，其酶解糖化不易。因此，玉米秸秆预处理成为不可缺少的工艺环节，使用高效的预处理技术能提高玉米秸秆转化为糖和其他有价值产品的效率。目前，玉米秸秆预处理技术主要包括蒸汽爆破、酸/碱预处理、水热预处理、离子液体、超声波、氨爆等。其中蒸汽爆破由于具有处理时间快、化学试剂用量少、污染小、能耗低等优点，被认为是最高效的预处理方法之一。蒸汽爆破能够有效的打开玉米秸秆纤维素、半纤维素和木质素之间的结构，其原理主要是利用水蒸气膨胀产生的剪切力以及糖苷键水解将木质纤维结构分解，其中蒸汽压力与维压时间直接决定了破坏结构的程度。
3.传统蒸汽爆破技术中，通常采用蒸汽压强1～3mpa，维压时间10～20min，并且有的技术还会添加酸碱、高浓度的氨水或其他化学溶液作为爆破预处理强化剂，对于不同的秸秆(木质纤维素)原料采用的蒸汽爆破技术也呈现同质化。同时，玉米秸秆经不适宜的蒸汽爆破技术预处理后，一方面，糖化酶解所得总糖含量会较低；另一方面，物料ph也波动较大，后期需要使用大量化学试剂调整，造成严重污染和成本剧增，也不利于后续发酵利用，严重制约着秸秆生物质工程。
4.因此，目前的蒸汽爆破技术存在预处理时间较长，能耗较高，化学试剂对设备腐蚀严重且成本高昂，回收难度大，蒸汽爆破技术同质化严重，没有玉米秸秆专用蒸汽爆破方法，酶解糖化所得总糖浓度低，ph范围不适宜等问题，严重影响了以玉米秸秆为主要原料的生物质工程的推进。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺陷，本技术的目的旨在提供一种以玉米秸秆为原料，采用专用蒸汽爆破预处理的方法，提升玉米秸秆蒸汽爆破预处理的效果，进而提高玉米秸秆酶解糖浓度，为后续的进一步发酵利用奠定坚实的基础。
6.为了实现上述技术目的，本发明具体采用以下技术方案：
7.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，包括专用蒸汽爆破工艺和酶解糖化工艺，所述的专用蒸汽爆破条件为：蒸汽压强为1.6mpa以上，维压时间为7min以上，玉米秸秆进料水分为30％以上，玉米秸秆的粒径为4～10mm。
8.进一步的，所述的专用蒸汽爆破条件为：蒸汽压强为1.8mpa，维压时间为7min，玉米秸秆进料水分为80％，玉米秸秆的粒径为4～10mm。
9.所述的酶解糖化工艺条件为：玉米秸秆预处理物料质量分数为20％，酶解温度为50℃，酶解摇动时的转速为150转/min，纤维素酶(gtec2)添加量为45fpu/g玉米秸秆预处理
物料，玉米秸秆预处理物料的ph不做任何调整。
10.具体的，一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，包括如下步骤：
11.s1.玉米秸秆的蒸汽爆破
12.s11.将玉米秸秆干燥处理后粉碎至4～10mm的粒径；
13.s12.在玉米秸秆粒中注水搅拌至水分含量30％以上；
14.s13.将混合物料装入蒸汽爆破机，按蒸汽压强1.6mpa以上，维压时间为7min以上对玉米秸秆进行爆破预处理；
15.s2.酶解糖化
16.s21.将玉米秸秆预处理物料加水至总固体质量分数为20％；
17.s22.在混合物料中加入gtec2纤维素酶酶解糖化24小时，酶解条件为：温度为50℃，转速为150转/min。
18.进一步的，步骤s11中玉米秸秆干燥至水分含量10％以下。
19.进一步的，本发明方法中水源选自自来水、纯净水、工业水、工业废水净化后达标排放的出水等。
20.进一步的，gtec2纤维素酶购自西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，由sigma-aldrich生产。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明所提供的一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，具有工艺技术相对简单、条件温和、能耗较小的特点和优势，对于玉米秸秆预处理尤为有效，形成玉米秸秆专用蒸汽爆破工艺技术。
23.本发明所提供的玉米秸秆专用蒸汽爆破工艺技术，所得处理后物料ph范围在4.8左右，正好符合普遍酶解糖化的最适ph范围，极大降低酶解糖化成本，简化酶解糖化过程，显著降低成本。
附图说明
24.图1是本发明专用蒸汽爆破工艺技术的工艺流程图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例1
27.如图1所示，一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，包括如下步骤：
28.s1.玉米秸秆的蒸汽爆破
29.s11.玉米秸秆准备：将收获后玉米秸秆(茎、杆、叶等)干燥处理至水分10％以下(重量份)，粉碎至2mm粒径。
30.s12.进料水分调整：在玉米秸秆粒中加入水，混匀至水分70％(重量份)。其中，水来源为自来水、纯净水、工业水、工业废水净化后达标排放的出水等多种。
31.s13.蒸汽爆破：按蒸汽压强为1.6mpa，维压时间为7min开启蒸汽爆破机，对玉米秸秆进行爆破预处理。
32.s14.出料：从物料框中收集所得物料，得到采用玉米秸秆专用蒸汽爆破方法的预处理物料。
33.s2.酶解糖化
34.s21.总固体含量调整：将所得预处理物料中加入水，混匀至预处理物料总固体含量20％(重量份)。
35.s22.纤维素酶添加：在所得混合物料中加入gtec2纤维素酶，混合均匀。其中，gtec2纤维素酶购自西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司,由sigma-aldrich生产。
36.s23.酶解糖化：将所得混合物料按照温度为50℃，转速为150转/min进行酶解24小时。
37.实施例2
38.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于蒸汽压强为1.8mpa。
39.实施例3
40.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于蒸汽压强为1.8mpa，维压时间为9min。
41.实施例4
42.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于蒸汽压强为1.8mpa，维压时间为11min。
43.实施例5
44.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于在玉米秸秆粒中加入水，混匀至水分30％(重量份)，蒸汽压强为1.8mpa。
45.实施例6
46.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于在玉米秸秆粒中加入水，混匀至水分50％(重量份)，蒸汽压强为1.8mpa。
47.实施例7
48.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于在玉米秸秆粒中加入水，混匀至水分80％(重量份)，蒸汽压强为1.8mpa。
49.实施例8
50.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于粉碎至4mm粒径，蒸汽压强为1.8mpa。
51.实施例9
52.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺同实施例1，不同之处在于粉碎至10mm粒径，蒸汽压强为1.8mpa。
53.对比例1
54.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺路线同实施例1，不同之处在于蒸汽压强为1.0mpa。
55.对比例2
56.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺路线同实施例1，不同之处在于蒸汽压强为1.8mpa，维压时间为3min。
57.对比例3
58.一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，基本工艺路线同实施例1，不同之处在于直接采用的粉碎玉米颗粒进行蒸汽爆破，蒸汽压强为1.8mpa。
59.实施例10
60.本发明实施例1-9和对比例1-3得到酶解液，糖浓度测定方法按照如下方法进行：
61.酶解液样品处理：酶解液8000rpm离心5min，用超纯水稀释合适倍数后，用0.22μm滤头过滤。
62.高效液相色谱法(hplc)检测上述所得样品的总糖，色谱柱为bioradaminex离子色谱柱hpx-87h，流动相为0.005mol/l h2so4，流速为0.6ml/min，柱温箱温度为35℃，进样量为20μl。
63.表1蒸汽爆破预处理后ph和酶解24小时后的总糖浓度
[0064][0065]
如表1所示，采用由本发明的玉米秸秆专用蒸汽爆破方法得到的预处理物料的ph正好符合普遍酶解糖化的适宜ph范围，其中实施例8和9的ph尤其接近最适酶解ph值(4.8左右)，极大降低酶解糖化成本，简化酶解糖化过程，显著降低成本。此外，经过24小时酶解糖化后，所有实施例总糖浓度比对比例的方法均有明显的提高，其中实施例8和9尤其显著突出。主要原因在于在较低蒸汽爆破压强下木质纤维被破坏的内部结构有限，纤维素和半纤维素只是少部分降解为单糖。而当压强逐步增大到1.6mpa以上时，高压蒸汽充分渗透进入纤维内部结构，能使部分半纤维素中的乙酞基团水解，而形成有机酸(如乙酸)，适宜浓度的有机酸成为催化剂又加快了木质纤维的分解，但过高的蒸汽爆破压强也易使已经降解生成的单糖进一步分解；同理，过短的维压时间下木质纤维被破坏的内部结构有限，纤维素和半纤维素只是少部分降解为单糖。而在高温高压条件下过长的维压时间又会致使产生的单糖进一步分解，产生大量的酶解抑制物(如糠醛)，致使木质纤维酶解不完全。适宜的维压时间既能充分破坏木质纤维的内部结构，致使后续纤维素与纤维素酶的接触面积得到提高，进而提高单糖浓度，又不至于使已产生的单糖进一步分解；适宜的玉米秸秆进料水分含量能使木质纤维素内部充满水分子，蒸汽爆破时能从内部往外以高压蒸汽形式爆发出，更能有
效破坏木质纤维被的内部结构，致使后续纤维素与纤维素酶的接触面积得到提高，进而提高单糖浓度；玉米秸秆粒径如果过大(10mm以上)，结构致密，蒸汽爆破对其木质纤维的内部结构破坏有限，致使后续纤维素与纤维素酶的接触面积小，造成酶解出的单糖浓度较低。粒径如果过小(4mm以下)，既会增大玉米秸秆粉碎预处理成本，又破坏了纤维素和半纤维素的纤维结构状态，易在蒸汽爆破时产生大量的酶解抑制物(如糠醛)，致使木质纤维酶解不完全，造成酶解出的单糖浓度较低。
[0066]
综上，本发明所提供的一种提高玉米秸秆酶解糖浓度的专用蒸汽爆破方法，具有工艺技术相对简单、条件温和、能耗较小的特点和优势，对于玉米秸秆预处理尤为有效，形成玉米秸秆专用蒸汽爆破工艺技术。同时所得处理后物料ph范围在4.8左右，正好符合普遍酶解糖化的最适ph范围，极大降低酶解糖化成本，简化酶解糖化过程。
[0067]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。