一种碱预处理、低压力蒸汽闪爆与生物酶联合处理综合利用棉秆皮的方法.pdf

本发明涉及一种碱预处理、低压力蒸汽闪爆与生物酶联合处理综合利用棉秆皮的方法，其在碱预处理棉秆皮后带着碱液低压力蒸汽闪爆，减少阻碍后续糖化发酵的糠醛等物质产生。蒸汽闪爆后得到的粗纤维和水解液均被收集，经洗涤、过滤、离心分离等步骤得到洗净的粗纤维、上清液和残渣。用漆酶进一步处理粗纤维，制得细、软的棉秆皮纤维。通过生物酶水解糖化上清液和残渣得到单糖，再经发酵制备生物酒精。本发明通过碱预处理，降低蒸汽闪爆条件，在蒸汽闪爆得到纤维的同时，又利用蒸汽闪爆得到的残渣和水解液制备生物酒精，综合利用了棉秆皮中的纤维素纤维以及分离出的半纤维素、多糖、单糖等物质，提高了棉秆皮的利用率。

权利要求书
1.  一种碱预处理、低压力蒸汽闪爆与生物酶联合处理综合利用棉秆皮的方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：
(1)机械切割：将棉秆皮切割成8～12cm长的段；
(2)碱预处理：将步骤(1)得到的棉秆皮置于固液比为1:10～1:20的碱溶液中，碱用量为2～20g/L；
(3)蒸汽闪爆：碱预处理后的棉秆皮不洗涤，将流动水压出后，装入闪爆罐中，通入饱和水蒸汽，使饱和水蒸汽压强达到0.6～1.0MPa，维持饱和水蒸汽压强60～300s后以0.0875s瞬间闪爆，将蒸汽闪爆后得到的粗纤维和水解液均收集起来，分别进行下述处理；
(4)洗涤：将蒸汽闪爆后得到的粗纤维置于固液比为1:20～1:40的清水中反复洗涤，用滤布过滤，分别收集洗净后的粗纤维和滤液，并将粗纤维在室温下晾干；
(5)漆酶处理：用漆酶介体体系进一步处理粗纤维，达到处理时间后升温至90～100℃煮1～2h；
(6)离心分离：将滤液和水解液离心分离，分别收集上清液和残渣，并将得到的残渣烘干、粉碎；
(7)木聚糖酶水解：在上清液中加入木聚糖酶进行水解糖化，达到处理时间后升温至90～100℃煮1～2h；
(8)生物酶处理：用纤维素酶和半纤维素酶复配处理残渣，水解糖化，达到处理时间后升温至90～100℃煮1～2h；
(9)发酵：将步骤(7)和(8)得到的酶解液离心后取上清液收集在一起，发酵制备生物酒精。

2.  根据权利要求1所述碱预处理，其特征在于，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾，预处理温度可以是常温，浸泡10～24h，也可以是60～100℃，碱煮1～5h。

3.  根据权利要求1所述洗涤，其特征在于，先将棉秆皮粗纤维置于固液比为1∶20～1:30、90～100℃热水中水煮1～2h，后在常温水中洗涤0.5～1.5h。

4.  根据权利要求1所述的漆酶介体体系处理粗纤维，其特征在于，所述漆酶来自白腐真菌或云芝，处理温度为25～55℃，固液比为1:10～1:25，pH值为3.0～6.0，漆酶用量为20～600U/g棉秆皮纤维，所述介体为ABTS或HBT，用量为棉秆皮纤维干重的0.5～6％，处理时间为5～25h，处理后的纤维用清水洗净，在室温条件下晾干，晾干后的纤维用针齿密度为10～15齿/cm的不锈钢梳子梳理，得到棉秆皮细纤维。

5.  根据权利要求1所述的木聚糖酶处理上清液，其特征在于，木聚糖酶用量为50～300U/mL上清液，处理温度为30～50℃，pH值为4.0～6.0，处理时间为24～72h。

6.  根据权利要求1所述的残渣生物酶糖化处理过程，其特征在于，半纤维素酶和纤维素酶用量比为1:1～1:4，处理温度为30～50℃，固液比为1:10～1:25，pH值为4.0～6.0，处理时间为24～72h。

7.  根据权利要求1所述的发酵，其特征在于，对酶解后得到的上清液灭菌后接入已培养24～48h、浓度达到1～5g/L的耐高温酵母细胞液，细胞液用量为上清液重量的0.5～2％，在35～45℃条件下厌氧发酵24～48h。

说明书一种碱预处理、低压力蒸汽闪爆与生物酶联合处理综合利用棉秆皮的方法
技术领域
本发明涉及一种生物质资源利用方法，尤其是涉及一种碱预处理、低压力蒸汽闪爆与生物酶联合处理综合利用棉秆皮的方法，属生物质资源利用领域。
背景技术
棉秆作为棉花种植的副产品，其表面韧皮中含有纤维素以及木质素、半纤维素等非纤维素物质。棉秆皮属于可再生资源，其纤维素含量40％左右，从棉秆皮中提取适合于纺织，复合材料制备的棉秆皮纤维，有助于提高棉作物的价值。目前，大部分棉秆被当成废料燃烧，造成生物资源的极大浪费。所以，对棉秆韧皮进行更好地开发利用尤为重要。
目前，涉及棉秆皮利用的专利主要有：(1)秸秆类生物质资源利用，如发明专利《生物质秸秆多口闪爆预处理生产系统及其生产工艺》(公开号：CN104474975A)，利用生物质秸秆原料闪爆技术，通过生物质秸秆饲料生产线、食用粉生产线、制浆生产线、生产酒精燃料生产线和木塑复合建材生产线生产出不同类的产品；(2)蒸汽闪爆法制备棉秆皮纤维，如发明专利《一种棉秆皮纤维清洁脱胶方法》(公开号：CN101008108A)，采用闪爆与高温高压后处理相结合的方法制备棉秆皮纤维；发明专利《一种蒸汽闪爆和碱处理相结合制备纺织用棉秆皮纤维的方法》(公开号：CN104047063A)，先采用蒸汽闪爆分离棉秆皮，然后用氢氧化钾进一步处理，最后用双氧水漂白。蒸汽闪爆后，纤维得率为50％左右，而30％左右已分离、降解的半纤维素被忽略。本发明专利利用碱预处理，降低闪爆压力，在利用纤维素纤维的同时，利用闪爆后除纤维外30％左右物质糖化发酵制备生物酒精，提高棉秆皮利用率。
发明内容
为了进一步提高棉秆皮的利用率，尤其是能同时利用棉秆皮中的纤维素纤维以及分离出的半纤维素、多糖、单糖等物质，本发明降低蒸汽闪爆的压力。为确保棉秆皮能在较低的蒸汽闪爆条件下得到较好的分离效果，先用碱预处理棉秆皮，预处理后的棉秆皮带着碱液采用闪爆时间极短(0.0875s)的汽爆工艺试验台闪爆；较低的蒸汽闪爆条件可减少阻碍后续糖化发酵的糠醛等物质产生，综合利用棉秆皮。
本发明所采用的技术方案是一种碱预处理、低压力蒸汽闪爆与生物酶联合处理综合利用棉秆皮的方法，具体按照以下步骤实施：
(1)机械切割：将棉秆皮切割成8～12cm长的段；
(2)碱预处理：将步骤(1)得到的棉秆皮置于固液比为1∶10～1∶20的碱溶液中，碱用量为2～20g/L；
(3)蒸汽闪爆：碱预处理后的棉秆皮不洗涤，将流动水压出后，装入闪爆罐中，通入饱和水蒸汽，使饱和水蒸汽压强达到0.6～1.0Mpa，维持饱和水蒸汽压强60～300s后以0.0875s瞬间闪爆，将蒸汽闪爆后得到的粗纤维和水解液均收集起来，分别进行下述处理；
(4)洗涤：将蒸汽闪爆后得到的粗纤维置于固液比为1∶20～1∶40的清水中反复洗涤，用滤布过滤，分别收集洗净后的粗纤维和滤液，并将粗纤维在室温下晾干；
(5)漆酶处理：用漆酶介体体系进一步处理粗纤维，达到处理时间后升温至90～100℃煮1～2h；
(6)离心分离：将滤液和水解液离心分离，分别收集上清液和残渣，并将得到的残渣烘干、粉碎；
(7)木聚糖酶水解：在上清液中加入木聚糖酶进行水解糖化，达到处理时间后升温至90～100℃煮1～2h；
(8)生物酶处理：用纤维素酶和半纤维素酶复配处理残渣，水解糖化，达到处理时间后升温至90～100℃煮1～2h；
(9)发酵：将步骤(7)和(8)得到的酶解液离心后取上清液收集 在一起，发酵制备生物酒精。
2、根据权利要求1所述碱预处理，其特征在于，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾，预处理温度可以是常温，浸泡10～24h，也可以是60～100℃，碱煮1～5h。
3、根据权利要求1所述洗涤，其特征在于，先将棉秆皮粗纤维置于固液比为1∶20～1∶30、90～100℃热水中水煮1～2h，后在常温水中洗涤0.5～1.5h。
4、根据权利要求1所述的漆酶介体体系进一步处理粗纤维，其特征在于，所述漆酶来自白腐真菌或云芝，处理温度为25～55℃，固液比为1∶10～1∶25，pH值为3.0～6.0，漆酶用量为20～600U/g棉秆皮纤维，所述介体为ABTS或HBT，用量为棉秆皮纤维干重的0.5～6％，处理时间为5～25h，处理后的纤维用清水洗净，在室温条件下晾干，晾干后的纤维用针齿密度为10～15齿/cm的不锈钢梳子梳理，得到棉秆皮细纤维。
7、根据权利要求1所述的木聚糖酶处理上清液，其特征在于，木聚糖酶用量为50～300U/mL上清液，处理温度为30～50℃，pH值为4.0～6.0，处理时间为24～72h；
6、根据权利要求1所述的残渣生物酶糖化处理过程，其特征在于，半纤维素酶和纤维素酶用量比为1∶1～1∶4，处理温度为30～50℃，固液比为1∶10～1∶25，pH值为4.0～6.0，处理时间为24～72h；
7、根据权利要求1所述的发酵，其特征在于，对酶解后得到的上清液灭菌后接入已培养24～48h、浓度达到1～5g/L的耐高温酵母细胞液，细胞液用量为上清液重量的0.5～2％，在35～45℃条件下厌氧发酵24～48h。
在以上各工序中：
(1)碱预处理不仅可以润涨纤维素，同时还可以使半纤维素发生脱乙酰基反应，在细胞壁和胞间层之间形成孔隙，从而有利于饱和蒸汽和水渗入物料内部，利于蒸汽爆破处理。
(2)碱预处理后的棉秆皮不洗涤，直接带着碱液闪爆，在保压时间 里，碱与半纤维素、木质素等发生反应，一方面可以得到更优的纤维，另一方面可以降低蒸汽闪爆条件，减少糠醛等阻碍后续糖化发酵的物质产生。
(3)蒸汽闪爆前，将流动水压出后闪爆，是为了提高反应的均匀性。
(4)热水水煮的作用一方面是防止已脱出的木质素和半纤维素再次重新凝聚在一起，另一方面是使蒸汽闪爆后半纤维素降解的糖和部分可溶性糖溶出。
(5)漆酶介体体系处理着重去除木质素，其降解木质素的机制：在氧气存在下，介体被漆酶氧化成活性高且具有一定稳定性的中间体，这些活性中间体能从氧分子中获得电子，并把电子传递给木质素分子，从而使木质素氧化降解，氧被还原成水。
(6)灭活是为了防止酶液残留。
(7)纤维在室温条件下晾干而不烘干主要是防止纤维粘连，便于梳理，且自然晾干的纤维手感较烘干的纤维好。
(8)灭菌是为了灭除酶水解后上清液中自带的菌。
本发明的有益效果是，通过碱预处理、低压力蒸汽闪爆与生物酶联合处理，在得到细、软棉秆皮纤维的同时，利用蒸汽闪爆后的水解液和残渣制备生物酒精，综合利用棉秆皮。
附图说明
图1是棉秆皮综合利用流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明先用碱预处理棉秆皮，后带着碱液采用爆破时间极短(0.0875s)的汽爆工艺试验台蒸汽闪爆，降低蒸汽闪爆条件，一方面得到纤维素纤维，另一方面低压力可减少阻碍后续糖化发酵的糠醛等物质产生，提高棉秆皮利用率。
实施例1
(1)机械切割：将棉秆皮切割成8cm长的段；
(2)碱预处理：将步骤(1)得到的棉秆皮置于固液比为1∶10的氢氧化钠溶液中常温浸泡20h，氢氧化钠用量为14g/L；
(3)蒸汽闪爆：碱预处理后的棉秆皮不洗涤，将流动水压出后，装入闪爆罐中，通入饱和水蒸汽，使饱和水蒸汽压强达到0.6Mpa，维持饱和水蒸汽压强300s后以0.0875s瞬间闪爆，将蒸汽闪爆后得到的粗纤维和水解液均收集起来，分别进行下述处理；
(4)洗涤：先将蒸汽闪爆后得到的棉秆皮粗纤维置于固液比为1∶20的90℃热水中洗涤2h，后置于固液比为1∶40的常温水中洗涤0.5h，用滤布过滤，分别收集洗净后的粗纤维和滤液，并将粗纤维在室温下晾干；
(5)漆酶处理：用漆酶介体体系进一步处理粗纤维，漆酶来自白腐真菌，处理温度为50℃，固液比为1∶15，pH值为3.0，漆酶用量为150U/g棉秆皮纤维，介体ABTS，用量为棉秆皮粗纤维干重的2％，处理时间为10h，达到处理时间后升温至90℃煮2h，将纤维用清水洗净，在室温条件下晾干，晾干后的纤维用针齿密度为10齿/cm的不锈钢梳子梳理，得到棉秆皮细纤维；
(6)离心分离：将滤液和水解液离心分离，分别收集上清液和残渣，并将得到的残渣烘干、粉碎；
(7)木聚糖酶水解：在上清液中加入木聚糖酶进行水解糖化，木聚糖酶用量为100U/mL上清液，处理温度为35℃，pH值为5.0，处理时间为48h，达到处理时间后升温至90℃煮2h；
(8)生物酶处理：用纤维素酶和半纤维素酶复配处理残渣，水解糖化，半纤维素酶和纤维素酶用量比为1∶4，处理温度为45℃，固液比为1∶20，pH值为5.0，处理时间为24h，达到处理时间后升温至90℃煮2h；
(9)发酵：将步骤(7)和(8)得到的酶解液离心取上清液收集在一起，灭菌后接入已培养48h、浓度为5g/L的耐高温酵母细胞液，细胞液用量为上清液重量的0.5％，在35℃下厌氧发酵24h，制备生物酒精。
实施例2
(1)机械切割：将棉秆皮切割成10cm长的段；
(2)碱预处理：将步骤(1)得到的棉秆皮置于固液比为1∶15的氢氧化钠溶液中70℃碱煮4h，氢氧化钠用量为10g/L；
(3)蒸汽闪爆：碱预处理后的棉秆皮不洗涤，将流动水压出后，装入闪爆罐中，通入饱和水蒸汽，使饱和水蒸汽压强达到0.8Mpa，维持饱和水蒸汽压强180s后以0.0875s瞬间闪爆，将蒸汽闪爆后得到的粗纤维和水解液均收集起来，分别进行下述处理；
(4)洗涤：先将蒸汽闪爆后得到的棉秆皮粗纤维置于固液比为1∶30的100℃热水中洗涤1h，后置于固液比为1∶30的常温水中洗涤1h，用滤布过滤，分别收集洗净后的粗纤维和滤液，将粗纤维在室温下晾干；
(5)漆酶处理：用漆酶介体体系进一步处理粗纤维，漆酶来自白腐真菌，处理温度为55℃，固液比为1∶20，pH值为3.5，漆酶用量为300U/g棉秆皮纤维，介体ABTS，用量为棉秆皮粗纤维干重的1％，处理时间为15h，达到处理时间后升温至95℃煮1.5h，将纤维用清水洗净，在室温条件下晾干，晾干后的纤维用针齿密度为15齿/cm的不锈钢梳子梳理，得到棉秆皮细纤维；
(6)离心分离：将滤液和水解液离心分离，分别收集上清液和残渣，并将得到的残渣烘干、粉碎；
(7)木聚糖酶水解：在上清液中加入木聚糖酶进行水解糖化，木聚糖酶用量为150U/mL上清液，处理温度为40℃，固液比为1∶25，pH值为4.0，处理时间为36h，达到处理时间后升温至95℃煮1.5h；
(8)生物酶处理：用纤维素酶和半纤维素酶复配处理残渣，半纤维素酶和纤维素酶用量比为1∶3，处理温度为40℃，固液比为1∶25，pH值为4.0，处理时间为48h，水解糖化，达到处理时间后升温至95℃煮1.5h；
(9)发酵：将步骤(7)和(8)得到的酶解液离心取上清液收集在 一起，灭菌后接入已培养36h、浓度为3g/L的耐高温酵母细胞液，细胞液用量为上清液重量的1％，在40℃下厌氧发酵36h，制备生物酒精。
实施例3
(1)机械切割：将棉秆皮切割成12cm长的段；
(2)碱预处理：将步骤(1)得到的棉秆皮置于固液比为1∶20的氢氧化钾溶液中80℃碱煮3h，碱用量为8g/L；
(3)蒸汽闪爆：碱预处理后的棉秆皮不洗涤，将流动水压出后，装入闪爆罐中，通入饱和水蒸汽，使饱和水蒸汽压强达到1.0Mpa，维持饱和水蒸汽压强120s后以0.0875s瞬间闪爆，将蒸汽闪爆后得到的粗纤维和水解液均收集起来，分别进行下述处理；
(4)洗涤：先将闪爆后得到的棉秆皮粗纤维置于固液比为1∶25的85℃热水中煮1.5h，后置于固液比为1∶20的常温水中反复洗涤1.5h，用滤布过滤，收集洗净后的粗纤维和滤液，将粗纤维在室温下晾干；
(5)漆酶处理：用漆酶介体体系进一步处理粗纤维，漆酶来自云芝，处理温度为45℃，固液比为1∶25，pH值为4.0，漆酶用量为100U/g棉秆皮纤维，介体HBT，用量为棉秆皮纤维干重的5％，处理时间为25h，达到处理时间后升温至100℃煮1h，将纤维用清水洗净，在室温条件下晾干，晾干后的纤维用针齿密度为12.5齿/cm的不锈钢梳子梳理，得到棉秆皮细纤维；
(6)离心分离：将滤液和水解液离心分离，收集上清液和残渣，并将得到的残渣烘干、粉碎；
(7)木聚糖酶水解：在上清液中加入木聚糖酶进行水解糖化，木聚糖酶用量为300U/mL上清液，处理温度为50℃，pH值为6.0，处理时间为24h，达到处理时间后升温至100℃煮1h；
(8)生物酶处理：用纤维素酶和半纤维素酶复配处理残渣，半纤维素酶和纤维素酶用量比为1∶1，处理温度为50℃，固液比为1∶15，pH值为6.0，处理时间为72h，达到处理时间后升温至 100℃煮1h；
(9)发酵：将步骤(7)和(8)得到的酶解液离心取上清液收集在一起，灭菌后接入已培养24h、浓度为2g/L的耐高温酵母细胞液，细胞液用量为上清液重量的2％，在45℃下厌氧发酵48h，制备生物酒精。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。