一種微量堿調控下水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法技術

本發明專利技術公開了一種微量堿調控下水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法。該方法包括以下步驟：（1）對粉碎并篩分后的玉米芯粉進行抽提，干燥，得到脫脂玉米芯粉；（2）將脫脂玉米芯粉、超純水和堿加入微波反應儀的內罐中，置于超聲波清洗器中超聲混合均勻；（3）超聲結束后，將內罐轉移至微波反應儀，進行水熱預處理；（4）待水熱預處理結束后，冷卻，真空抽濾，得到固體殘渣和木糖水解液。所述工藝反應條件緩和，避免了設備的腐蝕，副反應少，木糖得率高，半纖維素利用率高，纖維素回收率高。殘渣可進一步應用于發酵等工藝，有利于實現木質纖維的綜合利用。

Method for preparing xylose hydrolysis liquid by micro alkali regulating and controlling heat pretreatment corn cob

The invention discloses a method for preparing xylose hydrolysis liquid by micro alkali regulation and control of the heat pretreatment of corncob. The method comprises the following steps: (1) the corncob powder and sieving after extraction, drying to obtain defatted corn cob powder; (2) within the tank will skim the corncob powder and ultra pure water and alkali added to microwave reaction apparatus, in ultrasonic cleaning ultrasonic mixing; (3) ultrasound after the end of the the inner pot is transferred to the microwave reactor, hydrothermal pretreatment; (4) the end of the water after heat pretreatment, cooling, vacuum filtration, solid residue and xylose. The reaction condition of the process is moderate, the corrosion of the equipment is avoided, the side reaction is little, the xylose yield is high, the utilization rate of hemicellulose is high, and the recovery rate of cellulose is high. The residue can be further applied to the fermentation process, which is beneficial to the comprehensive utilization of wood fiber.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于木糖水解液制備
，具體涉及水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法。
技術介紹
隨著化石能源的日益枯竭及其過度使用導致的日益突出的環境問題，木質纖維（由纖維素，半纖維素和木質素組成）被認為是生產平臺化合物和生物燃料的潛力替代原料。然而，由于自身的理化性質和組成成分的復雜性，木質纖維對分解/水解表現出一定的抵抗力。因此，突破結構壁壘對木質纖維生物質轉化為高附加值化學品和液體燃料具有重要的意義，預處理是轉化過程的第一步，也是關鍵的一步。與纖維素有規整的結晶結構不同，半纖維素是由戊糖和己糖結構單元組成的無定形雜多糖。其與木質素形成的木質素-碳水化合物復合體能夠保護纖維素免于降解或解聚。因此在一般情況下，預處理的目的是溶解或降解半纖維素和木質素或改變木質素結構以增加纖維素在下一步反應中的可接觸面積。但是，如果溶解的半纖維素和木質素無法得到最佳利用，生物質總利用率和經濟效益就會隨之下降。除此之外，過度降解半纖維素和木質素產生的一些副產物，如糠醛、5-羥甲基糠醛和酚類化合物，會給后續反應帶來一系列不必要的麻煩。因此，理想的預處理應具有較高的纖維素回收率和半纖維素利用率、較低的副產物濃度。根據不同的工藝條件，預處理可大致分為水熱預處理，濕式氧化處理、脫木質素預處理和堿處理等。其中，水熱預處理具有如下優點：僅以水為反應介質;半纖維素轉化為可溶性糖的得率高且副產物少；設備腐蝕和對環境的影響小，所以，被認為是一種很有前途的預處理方法以破壞半纖維素和木質素的保護作用。水熱預處理可分為兩個階段。第一階段，在高溫條件下，水電離出的水和氫離子作為催化劑催化半纖維素水解反應的進行。在這個過程中，少部分半纖維素水解成低聚糖和單糖；乙酰基從半纖維素支鏈上脫落，進入溶液中形成乙酸。生成的乙酸電離出的氫離子以更高的速率催化水解反應，這是反應的第二個階段。脫乙酰基的效果對溶液的pH 和反應速率具有重要影響，乙酰基脫落越多，乙酸形成越多，酸性越強，半纖維素水解反應進行的越徹底。但是過低的pH亦會導致副反應加劇，產生更多的糠醛類酚類產物。堿不僅可以作為pH調節劑，緩和劇烈的酸性條件，還可以作為脫乙酰劑促進乙酰基的脫落，使半纖維素水解更易進行。基于現狀，本專利技術提出微量堿調控下水熱預水解玉米芯制備木糖水解液的方法，既可以充分利用半纖維素，得到較高的纖維素回收率，副產物少，水解液的pH條件較為緩和，并且設備腐蝕少，對環境影響較小。
技術實現思路
針對現有水熱預處理生物質原料制備木糖水解液研究技術中存在的不足，本專利技術的目的在于提供一種微量堿調控下水熱預水解玉米芯制備木糖水解液的方法。本專利技術采用了如下技術方案：（1）對粉碎并篩分后的玉米芯粉進行抽提，干燥，得到脫脂玉米芯粉；（2）將脫脂玉米芯粉、超純水和堿加入微波反應儀的內罐中，將裝有混合物的內罐置于超聲波清洗器中超聲混合均勻；（3）超聲結束后，將內罐轉移至微波反應儀，進行水熱預處理；（4）待水熱預處理結束后，冷卻，真空抽濾，得到固體殘渣和木糖水解液。進一步地，步驟（1）中，所述抽提是將40~80目粉碎并篩分后的玉米芯粉用丙酮-乙醇混合溶液在索氏抽提器中連續抽提6~8 h，丙酮-乙醇混合溶液中丙酮和乙醇的體積比為1:1~3:1。進一步地，步驟（1）中，所述干燥是在40~60℃干燥至恒重。進一步地，步驟（2）中，脫脂玉米芯粉與超純水的固液比為1:（10-30）g/mL。進一步地，步驟（2）中，所述的堿為NaOH、KOH或Ca(OH)2。進一步地，步驟（2）中，所述的堿用量為堿：超純水=0~0.016:1g/mL。進一步地，步驟（2）中，所述超聲處理的時間為10~20min，超聲功率為40~60KHz。進一步地，步驟（3）中，所述水熱預處理的反應苛刻度為2.3~4.0，水熱預處理的溫度為120℃~200℃，水熱預處理的反應時間1~130 min，微波功率為400~600 W。進一步地，獲得的水解液中木糖得率在5%~80% 范圍內，木糖、低聚木糖和木聚糖的總得率在30%~90%范圍內；殘渣的纖維素回收率在70%及以上，殘渣的纖維素進一步用于發酵生產燃料乙醇。與現有技術相比，本專利技術具有如下的優點及效果：（1）本專利技術采用微波輔助水熱預處理，設備簡單，操作簡便，反應速率高，反應時間短。（2）本專利技術加入微量堿調控水熱預處理的反應，降低糠醛等副反應的發生，纖維素的回收率高，木糖在水解液中的得率高。（3）本專利技術玉米芯預處理后的殘渣主要為纖維素和木質素，獲得的纖維素可進一步用于包括燃料乙醇和丁醇在內的重要生物燃料的生產，獲得的木質素可用于制備化工原料。附圖說明圖 1為不同苛刻度和NaOH濃度條件下，殘渣得率和纖維素、半纖維素、木質素的回收率；圖2為不同苛刻度和NaOH濃度條件下，半纖維素總平衡圖；圖3 a為反應原料玉米芯纖維形態SEM圖；圖3b為反應苛刻度-NaOH濃度條件為SF3.54- 0.005%的玉米芯纖維形態SEM圖；圖3c為反應苛刻度-NaOH濃度條件為SF 3.54 - 0.02%的玉米芯纖維形態SEM圖；圖3d為反應苛刻度-NaOH濃度條件為SF 3.54 - 0.08%的玉米芯纖維形態SEM圖；圖3e為反應苛刻度-NaOH濃度條件為SF 3.54 - 0.16%的玉米芯纖維形態SEM圖；圖3f為反應苛刻度-NaOH濃度條件為 SF 3.54-0.32%的玉米芯纖維形態SEM圖。具體實施方式下面結合實施例對本專利技術作進一步詳細的描述，但是本專利技術要求保護的范圍并不局限于此。微量堿調控下水熱預水解玉米芯制備的木糖水解液主要通過高效液相色譜檢測，檢測條件如下：色譜柱為Aminex HPX- 87H (BIO-RAD)柱，柱溫為80℃，檢測器溫度為30℃，流動相為屈臣氏蒸餾水，流動相的流速為0.3 mL/min，進樣量為20μL。實施例1一種微量堿調控下水熱預水解玉米芯制備木糖水解液：（1）將40~60目粉碎并篩分后的玉米芯粉用丙酮：乙醇為2:1（V/V）的混合溶液在索氏抽提器中連續抽提8h后，在50℃干燥至恒重，得到脫脂玉米芯粉；（2）將脫脂玉米芯粉與超純水以1:20 g/mL的比例混合于微波反應罐內，加入用量為堿：超純水=0.016:1g/mL的NaOH作為pH調節劑和脫乙酰劑，經功率為40KHz的超聲波清洗器超聲10 min后，置于微波反應儀內；（3）在溫度160℃、微波功率600W輔助水熱預處理60 min，反應苛刻度為3.54，得到水解液；（4）水解液冷卻后，進行真空抽濾，得到固體殘渣和木糖水解液。取1ml濾液再次用0.22 μm過濾后，測定其濃度。將濾渣進一步反應，可將纖維素用于生產燃料乙醇等重要生物燃料，木質素用于化工原料的生產。根據以下公式計算水解液和殘渣的結果：木糖得率（%）=HPLC測得的水解液中木糖總質量/絕干脫脂玉米芯中半纖維素的質量×100%。纖維素回收率=纖維素在固體殘渣中的質量/纖維素在原料中的質量×100%經計算，木糖的得率為7.1%，木糖、低聚木糖和木聚糖的總得率為84.2%，纖維素回收率為95.6%，糠醛得率1.63%。該法半纖維素轉化率較高，纖維素回收率高，且糠醛副產物處于較低水平。實施例2一種微量堿調控下水熱預水解玉米芯制備木糖水解液：（本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微量堿調控下水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法，其特征在于，包括如下步驟：（1）對粉碎并篩分后的玉米芯粉進行抽提，干燥，得到脫脂玉米芯粉；（2）將脫脂玉米芯粉、超純水和堿加入微波反應儀的內罐中，置于超聲波清洗器中超聲混合均勻；（3）超聲結束后，將內罐轉移至微波反應儀，進行水熱預處理；（4）待水熱預處理結束后，冷卻，真空抽濾，得到固體殘渣和木糖水解液。

【技術特征摘要】
1.一種微量堿調控下水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法，其特征在于，包括如下步驟：（1）對粉碎并篩分后的玉米芯粉進行抽提，干燥，得到脫脂玉米芯粉；（2）將脫脂玉米芯粉、超純水和堿加入微波反應儀的內罐中，置于超聲波清洗器中超聲混合均勻；（3）超聲結束后，將內罐轉移至微波反應儀，進行水熱預處理；（4）待水熱預處理結束后，冷卻，真空抽濾，得到固體殘渣和木糖水解液。2.根據權利要求1所述的一種微量堿調控下水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法，其特征在于，步驟（1）中，所述抽提是將40~80目粉碎并篩分后的玉米芯粉用丙酮-乙醇混合溶液在索氏抽提器中連續抽提6~8h，丙酮-乙醇混合溶液中丙酮和乙醇的體積比為1:1~3:1。3.根據權利要求1所述的一種微量堿調控下水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法，其特征在于，步驟（1）中，所述干燥是在40~60℃干燥至恒重。4.根據權利要求1所述的一種微量堿調控下水熱預處理玉米芯制備木糖水解液的方法，其特征在于，步驟（2）中，脫脂玉米芯粉與超純水的固液比為1:（10-30）g/mL。5.根據權利要求1所述的一種微量...

【專利技術屬性】
技術研發人員：任俊莉，嚴羽歡，孫潤倉，林琦璇，劉傳富，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44