CN101199944A - 纤维素仿生催化水解系统及其在纤维素生物质生产液体燃料中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全新的仿生催化水解纤维素和半纤维素的催化剂，以及这种催化剂的设计方法。这种催化剂既可以在常温下使用，也可以在高温下使用。新发明的仿生催化剂不分解葡萄糖和木糖，可以同时水解纤维素和半纤维素，并可以被有效回收。新发明的仿生催化剂可以和现有的生产工艺结合，也可以使用本发明中揭示的生产工艺而更好的达到全面利用生物质中所有主要成分，用来生产液体燃料和其它高附加值产品。

Description

纤维素仿生催化水解系统及其在纤维素生物质生产液体燃料中的应用

技术领域

本发明涉及一种全新的纤维素仿生催化系统和生物质快速精炼生产液体燃料方法，更具体地说涉及一种可在常温常压下快速预处理纤维素生物质，和快速催化纤维素、半纤维素水解成糖反应的仿生催化剂，以及仿生催化剂的回收方法。

背景技术

全球工业化的迅速发展造成人类对化石能源如煤炭，石油，核能，天然气等不可再生性能源的消耗速度迅速增长，化石能源已走进或正在走向其可供应量的峰值。化石能源的短缺和因使用化石能源造成的全球暖化，是人类确保生存与可持续发展必须克服的难题。而纤维素生物质生产液体燃料是人类克服这些难题的最可靠保障。

全面使用纤维素生物质所有三种最主要组分：纤维素、半纤维素、和木质素用于生产液体燃料如汽油，柴油，乙醇等燃料能源的技术，我们已较为完整的成功发明出并已全面公开(WO/2007/095787，CN200710084896.6，以及CN200710006858.9)。

但是由于纤维素水解酶的开发刚刚初步成功，纤维素水解酶的生产和使用还存在一系列问题需要克服，如纤维素水解酶的生产还需要使用纯纤维素作为碳源、必须使用纯氧气来发酵等，这造成纤维素水解酶的生产成本很难在较短的时间内降低到合适水平。另外，纤维素水解酶的催化性能还较低，纤维素水解的时间较长(超过48小时)，纤维素水解酶受产物葡萄糖的抑制较为严重，使水解所得的糖液浓度较低，并且纤维素水解酶所能水解的纤维素需要较彻底地脱除木质素和半纤维素，这些问题都对工业化生产影响较严重。再者，使用纤维素水解酶作催化剂水解纤维素，还无较理想的简易灭菌方法，如果全部使用抗生素来灭菌，其用量将非常巨大，后果难以预料。

而半纤维素由于它的结构非常复杂，不同种类、甚至于同一种类在不同地方生长，其结构都不相同，半纤维素水解酶的开发还未到基本成功的地步，催化效果和半纤维素水解酶的成本都还使得它难以用于工业化生产，市场上还没有商业化供应的半纤维素水解酶。

总之，当前纤维素和半纤维素的水解酶都难以进行工业化生产。

为此，本领域迫切需要一种水解纤维素和半纤维素的仿生催化剂，该催化剂在发酵法使用纤维素生物质生产液体燃料时，具备纤维素水解酶的高度选择性、和强酸催化剂的快速催化效果。

发明内容

本发明的第一目的在于获得一种用于催化水解纤维素和/或半纤维素的仿生催化剂，该催化剂在发酵法使用纤维素生物质生产液体燃料时，具备纤维素水解酶的高度选择性、和强酸催化剂的快速催化效果。

本发明第二目的在于获得一种水解纤维素生物质的方法，其具有高度选择性和快速催化效果。

本发明的第三目的在于获得一种仿生催化剂的用途。

本发明的第一方面提供一种用于催化水解纤维素和/或半纤维素的仿生催化剂，所述催化剂包括双酸基催化区域、和纤维素结合区域。

在本发明一个具体实施方式中，所述仿生催化剂具有如分子式1所示的结构：

其中，

M是双酸基催化区域，所述双酸基催化区域为铁、或锌；

L₁，L₂，L₃是纤维素结合区域，所述纤维素结合区域为单配位、双配位、三配位、和/或四配位的配体，它们可以相同，也可以不同；

A、B分别是C、N、S、B、Si、或者P，其中A和B可以相同，也可以不同，且A和B之间是单键或双键；

n代表整数，选自0、1、或2。

在本发明一个具体实施方式中，

所述单配位配体选自：以N、O、S、P、卤素、C、Si、B等为配位原子、或者以双键、三键、芳香环等为作为含一个配体点的物质，优选CO、Cp^-、有机磷配体、卤离子(Cl^-、Br^-、I^-)、PF₆ ^-、BF₄ ^-、马来酸(maleic acid)、衣康酸(itaconic acid)、富马酸(fumaric acid)或其组合；

所述双配位配体选自：N-N配体、N-P配体、P-O配体、P-P配体、O-N配体、O-S配体、S-N配体、O-O配体、P-S配体、S-S配体、以及其它以N、O、S、P、C、B、Si、为配位原子的含任何两个配体点的物质，优选

所述三配位配体选自：N-N-N配体、N-P-N配体、P-N-N配体、P-P-N配体、P-N-P配体、O-N-N配体、S-N-N配体、O-N-O配体、P-N-S配体、P-P-P配体、S-S-S配体、O-O-O配体、其它N、O、S、P、C、B、Si、为配位原子的含任何三个配体点的物质，优选三氮的三联吡啶(terpyridine)、使用氮和氧的麦芽酚(maltol)或其组合。

本发明第二方面提供一种水解纤维素生物质的方法，所述纤维素生物质含有纤维素、半纤维素和/或木质素，该方法包括如下步骤：

(a)提供仿生催化剂和纤维素生物质的混合物；

(b)将步骤(a)的混合物进行水解，得到含有单糖的水解物；

(c)所述步骤(b)的水解物进行发酵、降解或液化，得到液体燃料，所述液体燃料包括乙醇、汽油、芳香化合物或其组合。

优选地，步骤(a)中仿生催化剂在混合物中的浓度为5-200mM。

优选地，步骤(a)中混合物中仿生催化剂的用量和纤维素生物质之间的比值1-2mM/g之间。

优选地，步骤(b)中纤维素和半纤维素在水解物中的重量/体积比可达到10-25％。

优选地，步骤(c)中水解物含有单糖和/或木质素，所述单糖进行发酵得到乙醇，所述木质素进行降解或液化得到汽油、芳香化合物或其组合。

在本发明一个具体实施方式中，所述步骤(b)在热力场中进行。

在本发明一个具体实施方式中，所述纤维素生物质为经过预处理的纤维素生物质，所述预处理采用强酸或强碱高温高压法、强酸或强碱爆裂法、氨爆裂法、常温常压化学物理场法或其组合；

优选地，所述常温常压化学物理场法的物理场是超声波、微波、磁力或具组合；

优选地，所述常温常压化学物理场法中的化学试剂为可以通过蒸馏而易于回收再用的物质，更优选氨水、浓磷酸。

在本发明一个具体实施方式中，所述常温常压化学物理场法中的化学试剂是浓磷酸时，预处理包括以下步骤：

将纤维素生物质和浓磷酸的混合物至于物理场内进行处理，得到预处理的纤维素生物质；

所述预处理的纤维素生物质进行分离，得到纤维素和回收的磷酸和有机溶剂；

优选地，所述分离方法采用萃取分离、沉淀分离或其组合。

在本发明一个具体实施方式中，所述步骤(b)中采用常温常压化学物理场法对纤维素生物质进行预处理，其中所述物理场为超声波场，频率范围在17kHz到300MHz之间，最合适的频率范围在18kHz到100MHz之间，强度范围在0.1W-10kW/L之间，优选0.1Watts/cm²到300Watts/cm²之间，最合适的强度范围在2-6kW之间，优选80Watts/cm²到200Watts/cm²之间，最优选2kW/20kHz的超声波；和/或所述物理场为微波场，微波频率在300兆赫(MHz)到300千兆赫(GHz)，强度范围在0.1W-10kW/L之间，优选微波强度范围在100-3000W/L之间；和/或所述物理场为磁力场，磁力场强度为0.2-12T。

在本发明一个具体实施方式中，还包括催化剂的回收步骤(d1)：采用有机溶剂萃取步骤(b)的水解物，得到回收的催化剂。

在本发明一个具体实施方式中，还包括催化剂的回收步骤(d2)：通过使用交换树脂处理步骤(b)的水解物，得到回收的催化剂；

优选地，树脂使用大孔吸附树脂、大孔吸附型弱碱性树脂、热再生树脂或其组合。

本发明第三方面提供本发明的仿生催化剂的用途，用于水解纤维素和/或半纤维素。

优选地，用于水解含木质素的纤维素。

优选地，用于同时水解纤维素和半纤维素。

附图概述

附图1是本发明的一个具体实施例，该实施例使用本发明的仿生催化剂系统较全面利用纤维素生物质生产高附加值产品如液体燃料乙醇和汽油、木糖醇、芳香化合物的工艺流程图。

附图2是本发明的另一个具体实施例，该实施例中水解前对纤维素生物质首先进行预处理，然后使用本发明的仿生催化剂系统较全面利用纤维素生物质生产高附加值产品如液体燃料乙醇和汽油、木糖醇、芳香化合物的工艺流程图。

附图3是本发明的另一个具体实施例，其中生产工艺流程是对纤维素生物质首先进行常温常压化学物理场预处理，分离出的纤维素固体使用本发明的催化剂系统被转化为燃料乙醇，存在于液体中的木质素经沉淀分离出来后被转化为汽油、或者芳香化合物，而还在液体内的半纤维素被转化为木糖醇。

本发明的最佳实施方案

发明人经过大量研究，发现了一种特定结构的仿生催化剂，其具备纤维素水解酶的高度选择性、和强酸催化剂的快速催化效果。在此基础上完成了本发明。

发明人根据自然存在的水解酶的催化原理而开发了人工合成的仿生催化剂。例如，就纤维素水解酶来说，它的催化机理虽然还没有完全明白，但是已被基本确认它具备三个不同的功能区域(domain)：一个催化区域(catalytic domain)、一个纤维素结合区域(cellulose binding domain)、和一个联接区域(linking region)。一般常见的纤维素水解酶催化区域由含有酸残基的两种氨基酸组成：谷氨酸(glutamic acid)和天门冬氨酸(aspartic acid)。其中一个酸残基作为氢质子的供体，而另一个酸残基作为亲核官能基团。

常见的水解酶一般是含锌或者是含铁的蛋白质络合物，而铁和锌是自然界中含量非常丰富、易于得到且价格较低的过渡金属，铁和锌等过渡金属离子和羟基之间的作用力较强，适合于作为催化剂中的纤维素结合区域(cellulosebinding domain)。

本发明设计了一种仿生催化剂，使其含有双酸基催化区域、和纤维素结合区域。发明人发现，本发明的人工合成的仿生催化剂一般具备生物酶制剂的选择性能、催化反应单一且反应的副产品很少。而且仿生催化剂可以耐受较为苛刻的反应条件，如高温、高压、和高的酸碱度等，其可以大大的缩短反应时间，很少受到产物的抑制从而可以得到较高浓度的产物。并且，仿生催化剂可以在菌类无法生存的条件下起作用，仿生催化剂催化系统一般不需要灭菌。

以下对本发明的各个方面进行详述：

本发明的纤维素水解酶仿生催化剂具有以下分子式1所示的结构：

其中，M是铁(Fe，氧化态0、+2、或+3)、或锌(Zn，氧化态0，+2)；

L₁，L₂，L₃是络合物配体，它们可以是单配位、双配位、三配位、四配位、五配位、六配位的配体，它们可以相同，也可以不同。

单配位配体的例子包括但不限于：以N、O、S、P、卤素、C、Si、B等为配位原子、或者以双键、三键、芳香环等为作为含一个配体点的物质，如CO、Cp^-、有机磷配体、卤离子(Cl^-、Br^-、I^-)、PF₆ ^-、BF₄ ^-、马来酸(maleic acid)、衣康酸(itaconicacid)、富马酸(fumaric acid)、等等。

双配位配体的例子包括但不限于：N-N配体、N-P配体、P-O配体、P-P配体、O-N配体、O-S配体、S-N配体、O-O配体、P-S配体、S-S配体、等以N、O、S、P、C、B、Si、为配位原子的含任何两个配体点的物质，如

等。

三配位配体的例子包括但不限于：N-N-N配体、N-P-N配体、P-N-N配体、P-P-N配体、P-N-P配体、O-N-N配体、S-N-N配体、O-N-O配体、P-N-S配体、P-P-P配体、S-S-S配体、O-O-O配体、等以N、O、S、P、C、B、Si、为配位原子的含任何三个配体点的物质，如三氮的三联吡啶(terpyridine)、使用氮和氧的麦芽酚(maltol)、等等。

如本文所用，“三配位配体”是指一个分子可以提供三个配点，不是单配位。具体地例如，“N-N-N”表示该配体使用的三个配位点都是N。

络合物中A、B分别是C、N、S、B、Si、O、或者P，A和B可以相同，也可以不同；A和B之间可以是单键，也可以是双键。

络合物中的n代表整数，可以是0、1、和2。配体分子中A和B之间既可以是单键，也可以是双键、或三键。

所有的络合物均具有较高的水溶性。

所有的络合物均具有至少两个酸官能团，其中一个酸残基作为氢质子的供体，而另一个酸残基作为亲核官能基团，它们是仿生催化剂的催化区域。

上述络合物的具体例子包括但不限于如下分子式2和式3化合物：

(式2)

式2中，

M＝Fe，L1＝Cp(环戊二烯)，L2＝CO，L3＝BF₄ ^-，A、B为碳，A和B之间为双键连接，且n＝0。

(式3)

式3中，

M＝Fe，L1＝COONHNHCOOH(双配位)，L2＝Cl^-，L3＝Cl^-，

A、B为氮，A和B之间为单键连接，且n＝2。

上述这些络合物的合成方法没有限制，均可以使用已知的制备络合物的方法。具体的例子包括但不限于：使用已知的简单络合物为起始物，在不影响反应和产物稳定性的溶剂中如乙醚，然后使用配体置换的方法换成所需要的配体，最后根据需要和可能将中心金属的氧化态进行调整，或者先将中心金属的氧化态进行调整，然后使用配体置换的方法换成所需要的配体，最后根据需要和可能，所得的产品经纯化、干燥而得。具体地如使用九羰基二铁络合物[Fe₂(CO)₉]和马来酸在氮气的保护下制备[Fe(CO)₄(马来酸)]络合物，反应一般使用醚或苯作为溶剂，反应温度为常温或稍高。或者，使用五羰基铁络合物[Fe(CO)₅]作为起始物，在配体浓度较高的条件下，低温光化学反应可以得到[Fe(CO)₃(马来酸)₂]、[Fe(CO)₂(马来酸)₃]。或者使用九羰基二铁络合物、五羰基铁络合物等先制备环戊二烯二羰基铁二聚物，再进行后续反应；也可以买到和直接使用环戊二烯二羰基铁二聚物{[CpFe(CO)₂]₂，Cyclopentadienyliron dicarbonyl dimer}作为起始物，通过溴氧化改变铁的氧化态，然后进行配体置换；当然也可以使用所需氧化态简单的盐类如醋酸铁等为起始物，逐步进行配位反应制备。等等。

双配体的络合物一般在极性较大的溶剂中进行，如醇类作为溶剂。

为了得到较理想的水解速度，这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，一般在水解体系中的用量浓度为0.1mM-10M，优选5-200mM，因为低于这个区间水解的速度较慢，高于这个区间则催化剂费用太高。

这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，它们均没有被发现造成葡萄糖、木糖等单糖的降解。这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，葡萄糖、木糖的降解产物均低于葡萄糖、木糖在纯水中(无任何催化剂)相同反应温度下的降解程度。

为了得到较理想的水解效果，尽量减少水造成的葡萄糖、木糖的降解，水解速度要尽量地快，这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，在水解体系中的用量和纤维素或者半纤维素之间的比值，一般在0.1-1000mmol/g、优选的控制在1-2(mmol/g)之间，特别是使用热力场来加快反应进度时，低于这个区间水造成的葡萄糖、木糖的降解较多，高于这个区间则催化剂费用太高。

本发明的纤维素生物质可以是预处理过的、也可以不经过预处理。

本发明的这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，一般均可以不需要对纤维素生物质进行预处理，虽然预处理会加速水解进度。

纤维素生物质预处理可以采用已知的所有预处理方法，如物理法、化学法、生物法、化学物理法，它们都和本发明中揭示的仿生催化剂匹配。

预处理方法优选化学物理法，包括但不限于常见的如强酸或强碱高温高压法、强酸或强碱爆裂法、氨爆裂法、常温常压化学物理场法、等等。

常温常压化学物理场法，优选地，物理场包括但不限于超声波、微波、和磁力场。在一个优选实施例中，所述的微波频率在300兆赫(MHz)到300千兆赫(GHz)，强度范围在0.1W-10kW/L之间，优选微波强度范围在100-3000W/L之间。所述的超声波频率范围在17kHz到300MHz之间，优选18kHz到100MHz之间；强度范围在0.1Watts/cm²到300Watts/cn²之间，优选40Watts/cm²到100Watts/cm²之间；所述的磁力场一般是越强越好，但是因为经济的原因，优选地采用的磁力场强度为0.2-12T(特斯拉)之间。

常温常压化学物理场法中的化学试剂可以是常见的酸、或者碱，优选地一般为可以通过蒸馏而易于回收再用的物质，包括但不限于氨水、浓磷酸、等；

使用氨水的预处理方法我们已在专利WO/2007/095787公布，常温常压化学物理场法中的化学试剂如果是浓磷酸时，预处理包括以下步骤：纤维素生物质和浓磷酸混合均匀后，将混合物置于物理场内进行预处理，预处理时间一般为5秒钟到18小时，优选的为1分钟到90分钟。预处理完成后，一般采用萃取法分离，萃取溶剂为和磷酸不相溶的物质、但是又和水有较好的互溶性，这些萃取溶剂包括但不限于丙酮、甲乙酮等。使用酮萃取溶剂，纤维素被从磷酸中沉淀出，沉淀分离出的纤维素可用水洗涤，而预处理过程中使用的磷酸和有机溶剂，全部可以通过蒸馏而易于回收再用。

本发明中揭示的这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，水解既可以在常温常压的物理场中进行，也可以在热力场中进行。

和现在所知的纤维素水解酶不同，这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，纤维素和半纤维素在水解液中的含量最高可达到25％(重量/体积比)。而使用现在的纤维素水解酶，水解液中其最高干重物质含量很难达到10％。

所述的物理场是微波、超声波、或其组合。在一个优选实施例中，所述的微波频率在300兆赫(MHz)到300千兆赫(GHz)，强度范围在0.1W-10kW/L之间。优选微波强度范围在100-3000W/L之间，所述的超声波频率范围在17kHz到300MHz之间，优选18kHz到100MHz之间；强度范围在0.1Watts/cm²到300Watts/cm²之间，优选40Watts/cm²到100Watts/cm²之间。

对半纤维素水解，热力场是指温度在110-170℃之间，因为在此温度区间的五碳糖的分解很少；对纤维素水解，热力场是指温度在120-195℃之间，此温度区间的水造成葡萄糖的分解很少。本发明的催化剂也可以用于很高的水解温度，如温度区间200-260℃。

这些络合物作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，可以利现在已知的使用纤维素生物质生产液体燃料的生产工艺结合，如仿生催化剂仅用于除去纤维素生物质中的半纤维素这个反应步骤，或者仅用于水解纤维素生物质中的纤维素这个反应步骤。

当仿生催化剂仅用于水解纤维素生物质中的纤维素时，和纤维素水解酶不同，因为仿生催化剂的催化性能基本上不受木质素的影响，纤维素生物质不需除去木质素，整个生产工艺大为简化。如附图1所示的反应生产工艺流程，纤维素生物质首先被粉碎到合适的粒度，然后在约90-100℃之间的纯水中脱去植物色素，脱色素所得的纤维素生物质在较高温度的纯水中(120-230℃)脱去基本上全部的半纤维素，此时所制备的纤维素生物质的主要成分是纤维素和木质素，这个固体在仿生催化剂的作用下释放出所有的可水解葡萄糖，木质素不溶解而作为固体产物被滤出。生产流程中产生的半纤维素被转化为木糖醇，木质素被转化为芳香化合物或者汽油。生产工艺流程中除去色素可以使反应体系的颜色变的很浅，并且可以帮助制得颜色更浅的木质素、和简化木糖醇的脱色步骤。

本发明中的作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，还可以和现有的预处理技术相结合，而明显简化全部的生产工艺流程。例如，图例2所示，本发明可以在粉碎好的纤维素生物质颗粒脱色后，直接在物理场中使用浓磷酸将纤维素、半纤维素溶解出来，然后使用丙酮对混合物进行分层，可分出木质素，最后用水洗涤从浓磷酸中沉淀出的纤维素，所得的纤维素固体可以使用本发明的仿生催化剂催化水解为可发酵的单糖，然后单糖通过发酵被转化为酒精；而存在于液相中的木质素和半纤维素，在分出木质素固体后，水溶解度高的半纤维素，可分出用于制备木糖醇。此发明的生产工艺选用浓磷酸作提取液，是因为它的腐蚀性远小于浓硫酸、浓盐酸等其它无机酸，还因为它在使用丙酮等制取纤维素和半纤维素后，很易于被脱去丙酮和水而被浓缩再用。而如果长时间使用后出现颜色很深时，高温煅烧即可脱去绝大部分产生色变的物质。

虽然建立在本发明中所揭示的纤维素和半纤维素水解仿生催化剂基础上的生产工艺流程，如图例1和2所示，非常有利于木糖醇和乙醇的生产，但是由于这两种新发明的生产工艺流程中，纤维素生物质内的灰分都和木质素在一起，而木质素转化为汽油的生产工艺都使用较高的压力和温度，尽量减少反应物的灰分非常重要，图例1和2所示的生产工艺需要另外的步骤来除灰分。而我们已公布的所发明预处理方法(W0/2007/095787)，则可以直接一步将此问题解决，图例3的生产工艺流程中，灰分在纤维素同存，纤维素被水解和转化为乙醇后，纤维素生物质内的灰分可以通过简单的过滤被除去。

发明人经过广泛而深入的研究所发明的仿生催化系统，可在较高温度利压力下使用，催化速率远远高于纤维素水解酶，受产品的抑制程度远低于纤维素水解酶从而可得较高浓度的糖液。而本发明的仿生催化系统对单糖的降解远低于无机强酸，水解所得糖液可以直接用于发酵制备乙醇。另外，本发明的仿生催化剂可以较高程度地回收再用，对比现有的纤维素水解酶成本明显降低；而对比无机强酸，本发明的仿生催化剂不需使用对应的碱来中和水解糖液，明显降低水的用量，并减少了环保的压力。

本发明中所揭示的作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，一般都有很高的亲脂性，在水解反应结束后，可以使用和水不互溶的有机溶剂将它们萃取出来重新再用。常用的萃取仿生催化剂络合物的有机溶剂，包括但不限于二氯甲烷、三氯甲烷、苯、甲苯、醚、二甲苯等。

本发明中所揭示的作为纤维素和半纤维素水解的仿生催化剂，还可以使用交换树脂进行回收。水解液冷却到室温后经过树脂柱将催化剂吸附在树脂上，所得的单糖溶液用于发酵。树脂柱一般为两套并联，其中一套中的树脂吸附饱利后，马上进行解吸和/或者再生，生产使用另一套树脂柱进行，这样可以不影响生产。树脂一般使用大孔吸附树脂、大孔吸附型弱碱性树脂、热再生树脂。这些树脂均能从市场上买到，如XAD-2树脂、D301树脂、Amberlite XAD-4树脂、和Novation公司的TRR树脂。回收最好使用非离子大孔吸附树脂、和热再生树脂，因为这两种树脂的产品回收可以使用有机溶剂、或热水来洗脱。有机溶剂一般选用乙醇，因为纤维素生物质精炼的主要产品之一是乙醇，这样可以降低生产成本。热再生一般使用70-95℃之间的热水，温度太低回收太慢，温度太高会造成树脂的结构性损伤。

热再生树脂是一种两性树脂，也可以自己根据具体情况自己制备。常用的制备方式是将含有两个氨基氨基酸、通过其中一个氨基的共价键化反应，将适量的氨基酸链接到大孔树脂基体上。如聚苯烯树脂氯甲基化反应后，然后和氨基酸如赖氨酸反应制得。

在本发明的生物质可以是经过粉碎的生物质固体，包括但不局限于：粒径在0.01-8mm之间，优选0.1-5mm，含水量1-50wt％，优选5-30wt％的生物质，以所述生物质的总重量计算。

本发明中使用的用于水解的超声波频率范围在17kHz到300MHz之间，最合适的频率范围在18kHz到100MHz之间，强度范围在0.1W-10kW/L之间(0.1Watts/cm²到300Watts/cm²之间)，最合适的强度范围在2-6kW/L之间(80Watts/cm²到200Watts/cm²之间)，优选2kW/20kHz的超声波。

下面所给出的实施例是为了更好地说明本发明，并不是说本发明所揭示的内容仅限于下面的实施例。

以下所给出的实例中使用的纤维素生物质是粉碎好的自然干燥的玉米秸杆(也即秸秆)。在实施方案中，玉米秸杆颗粒的构成为36.4wt％的β-葡聚糖(β-glucan)，18.8wt％的木聚糖(xylan)，2.8wt％阿拉伯多糖(arabinan)，1.8wt％的葡甘聚糖(mannan)，2.2wt％的半乳聚糖(galactan)，20.2wt％的卡森木质素(Klasonlignin)，7.0wt％的灰份(ash)，3.2wt％的乙酰基组分(acetyl group)，4.0wt％的蛋白质(protein)，和3.8wt％的醛糖酸(Uronic acid)。

实施例1：催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄的合成

在氮气保护下，向无水脱氧的苯溶剂内加入10mmol的环戊二烯二羰基铁二聚物(Cyclopentadienyl iron dicarbonyl dimer)，搅拌下全部溶解后，反应溶液被冷却到10℃左右后，向溶液中加入等摩尔的溴，搅拌到紫红色全部消失后，向反应液中加入20mmol三溴化铝，其后是21mmol的马来酸。反应液混合物被慢慢升温到60℃，并维持该温度约四个小时后，冷却到室温后，加入21mmol的四氟硼化铵(NH₄BF₄)，无沉淀形成后，滤出沉淀物，真空除去溶液苯得粗产物。该粗产物经乙醚重结晶得到纯的产品，产率为91％。

分子结构式为C₁₁H₉BF₄FeO₆，元素分析得含量C％：44.8，H％：3.21，Fe％：19.2(应得C％：45.09，H％：3.10，Fe％：19.06)。

¹H-NMR(CDCl₃，δppm)：11.7(br，2H)；6.68(s，2H)；5.21(s，5H)。

¹³C-NMR(CDCl₃，δppm)：218(CO)；174(羧基)；137.8(C＝C)；89.6(Cp)。

实施例2：催化剂乙二氨二乙酸铁络合物的合成

在氮气保护下，0.5mmol的四水合二氯化铁溶解在10毫升的去离子水中，然后慢慢滴加到近沸的乙二氨二乙酸(ethylenediamine diacetic acid，1.0mmol)四氢呋喃溶液中，紫红色在滴入铁的水溶液后开始显现，搅拌下进行两个小时后，反应溶液被冷却到10℃左右后，向溶液中加入20毫升的乙醚来沉淀产物，乙醚和丙酮混合液洗涤后，真空下干燥得到纯的产品，产率为90％。

分子结构式为C₈H₁₆Cl₂FeN₄O₂，元素分析得含量C％：21.98，H％：3.96，N％：13.16，Fe％：13.1(应得C％：22.72，H％：3.81，N％：13.25，Fe％：13.20)。

¹H-NMR(CDCl₃，δppm)：11.2(br，4H)；6.68(br，4H)；3.21(m，8H)。

¹³C-NMR(CDCl₃，δppm)：158(羧基)；23.8(CH₂)。

实施例3：催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄在常温常压下催化水解纤维素

向100毫升50mM的催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄中加入5克的200目左右的微晶纤维素，反应容器封好口后，在2kW/20kHz的超声波反应器内进行水解反应，反应中不断晃动盛微晶纤维素的容器，4个小时后全部的微晶纤维素固体消失，使用HPLC测量反应液的还原糖浓度，浓度为50.1mg/ml。水解液中没有检测到葡萄糖的降解产物。

实施例4：催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄催化水解纤维素

在适当的容器内加入20.0克粉碎好(5.8％的水分)的自然干燥的玉米秸杆，然后分别加入100毫升去离子水，搅拌下将混合物加热到近100℃并维持在此温度约30-60分钟，冷却到50℃以下后离心除去深棕黄色液体，剩余的固体装入到合适的不锈钢高温高压反应釜内，加入100毫升去离子水后，封紧反应釜，然后加热到170℃并维持在此温度约120分钟。冷却到50℃以下后离心除去淡黄色液体，淡黄色液体经分析发现基本上是全部的半纤维素。

剩余的近白色固体，取少量固体分析，所得固体含纤维素6.5克，木质素3.8克，纤维素的损失是5.2％，木质素没有损失。

所得的固体被分为均匀的两份，分别装到两个合适的60毫升不锈钢高温高压反应器内，加入去离子水后使两个反应器内的总体积为50毫升，封紧反应釜，加热到180℃。用高压氮气将一定量的催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄饱和溶液压进A反应器中，使其浓度达到50mM，并维持在此180℃温度约6小时。B反应器中加入浓硫酸，亦使其浓度达到50mM，并维持在此180℃温度约6小时，然后将两个反应器A和B冷却到30℃以下。

反应器A中的纤维素水解度为81％，葡萄糖浓度为53mg/ml。反应器B中的纤维素水解度为86％，葡萄糖浓度为13mg/ml。此结果显示，仿生催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄的催化效果非常接近无机强酸，并且所得的葡萄糖远高于硫酸，是四倍以上的收率。

实施例5：催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄同时催化水解纤维素利半纤维素

在适当的容器内加入20.0克粉碎好(5.8％的水分)的自然干燥的玉米秸杆，然后分别加入100毫升去离子水，搅拌下将混合物加热到近120℃并维持在此温度约30-60分钟，冷却到50℃以下后离心除去深棕黄色液体，蒸干后得基本上全是半纤维素的固体，可直接用于制备木糖醇。而蒸煮剩余的固体经真空干燥后，装入到耐腐蚀的反应釜内，加入150毫升85％磷酸到反应釜内，在2kW/20kHz的超声波反应器内搅拌30分钟后，加入400毫升的丙酮，彻底混合均匀后，离心分离出上层液体，重复一次分出上部液体，上部液体为木质素和半纤维素。然后下部类固体物中加入300毫升纯水洗涤。丙酮萃取液在蒸馏回收丙酮后，离心分出木质素固体，残留液体为含少量稀磷酸溶液。本发明中的这个方法，磷酸和丙酮两个溶剂均被回收再用。

所得的纤维素固体可以直接被水解为可发酵的单糖。

纤维素固体被等分为两份，蒸煮所得的半纤维素固体也被等分为两份，一分纤维素和半纤维素固体被装到合适的100毫升不锈钢高温高压反应器内，加入去离子水后使反应器内的总体积为90毫升，封紧反应釜，加热到180℃。用高压氮气将一定量的催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄饱和溶液压进反应器中，使其浓度达到100mM，并维持在此180℃温度约6小时，然后将反应器冷却到30℃以下。

反应器中的纤维素水解度为＞99％，葡萄糖浓度为38mg/ml，产率91％；溶液中的木糖浓度为18mg/ml，产率83％。此结果显示，本发明中所揭示的仿生催化剂可以同时水解纤维素和半纤维素，半纤维素的降解很低。

取所分的另一份纤维素2克悬浮于50毫升的纯水中，用稀硫酸将pH调节到5.5后，121℃一小时灭菌后，向溶液中加入200微升的NS50013、20微升的NS50010等纤维素水解酶。监测水解进度发现，23小时后，所有纤维素全部溶解，葡萄糖浓度为43.3mg/ml，此发明中的纤维素提取方法所得的纤维素非常易于被纤维素水解酶水解。

实施例6：仿生催化剂对葡萄糖、和木糖的降解

分别使用纯水、100mM的[CpFeCO(马来酸)]BF₄溶液、和100mM的硫酸溶液配制10％的葡萄糖、和木糖溶液。对于葡萄糖溶液，在氮气保护下全部被快速加热到190℃，分别测量30分钟、1小时、2小时、3小时、4小时、和6小时的糖浓度，结果如下表1；对于木糖溶液，在氮气保护下全部被快速加热到过170℃，分别测量10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟、60分钟时的糖浓度，结果如下表2：

表1、葡萄糖浓度变化(mg/ml)

	30分钟	1小时	2小时	3小时	4小时	6小时
							水溶液	98.2	96.1	94.2	91.8	89.4	84.1
仿生催化剂	99.7	97.5	96.3	95.1	94.3	91.6
							硫酸	87.6	57.8	40.5	35.8	29.1	23.3

表2、木糖浓度变化(mg/ml)

	10分钟	20分钟	30分钟	40分钟	50分钟	60分钟
							水溶液	96.2	94.9	93.2	92.1	91.1	89.7
仿生催化剂	97.7	96.3	95.8	94.6	94.1	93.7
							硫酸	83.1	67.7	56.8	49.3	47.2	36.9

实施例7：仿生催化剂水解纤维素生物质及催化剂的回收、糖液发酵

在适当的容器内加入40.0克粉碎好(5.6％的水分)的自然干燥的玉米秸杆，然后分别加入200毫升去离子水，搅拌下将混合物加热到近100℃并维持在此温度约30-60分钟，冷却到50℃以下后离心除去深棕黄色液体，剩余的固体加入到30％的氨水中，然后加入纯水使混合物内固体的含量约为10％(总体积400毫升，氨水浓度18-20％)，反应容器封好口后，在2kW/20kHz的超声波反应器内进行预处理提取反应，反应中不断晃动盛微晶纤维素的容器。1个小时后取样检测，95％的木质素已溶解于氨水，过滤分开固体和液体产物，液体产物经蒸馏回收氨水后，冷却下液体用硫酸调节到pH为2.5并不断搅拌，过滤得棕黄色木质素固体产物，水洗两次后真空干燥得很纯的木质素。

预处理提取后分离所得的固体产物使用纯水洗涤至接近中性后，装到合适的100毫升不锈钢高温高压反应器内，加入去离子水后使反应器内的总体积为90毫升，封紧反应釜，加热到200℃。用高压氮气将一定量的催化剂[CpFeCO(马来酸)]BF₄饱和溶液压进反应器中，使其浓度达到200mM，并维持在此200℃温度1小时，然后将反应器冷却到25℃以下。反应器中的纤维素水解度为＞99％，葡萄糖浓度为136mg/ml，产率90％。此结果显示，本发明中所揭示的仿生催化剂水解纤维素的能力很高，且在高温下使用时葡萄糖的降解不多。

上述所得葡萄糖溶液被平分为相等的两份，一份使用150毫升的乙醚萃取3次(每次50毫米)，合并萃取液蒸去乙醚后得回收的催化剂，回收率可达69％。萃取后的水溶液通氮气脱去残留乙醚后，调pH为5.5后加入约1.5％豆饼粉，121℃灭菌30分钟后加入1％高效安琪酿酒干酵母，34℃下发酵24小时。取样检测，葡萄糖浓度基本检测不到，酒精浓度为5.9％。此结果显示，乙醚萃取不影响糖液发酵。

另一份葡萄糖溶液通过3cm×60cm的XAD-4大孔吸附树脂柱，流速2毫升/分钟，所得的葡萄糖水溶液中基本上检测不到催化剂，然后调pH为5.5后加入约1.5％豆饼粉，121℃灭菌30分钟后加入1％高效安琪酿酒干酵母，34℃下发酵24小时。取样检测，葡萄糖浓度基本检测不到，酒精浓度为5.9％。此结果显示，大孔吸附树脂回收催化剂不影响糖液发酵。

实施例8：木质素转化为汽油产品

干燥木质素在氮气氛下330-380℃脱水一个小时后，和四氢萘等重量比混合均匀。在一个哈氏(Hastolly C)压力反应器内加入Ni/C催化剂(催化剂含量10％)，在12Mpa的氢气压力下，加热到390-400℃并保持该温度1小时。反应使用磁搅拌，反应结束后，冷却到室温。分析液体组成部分发现，分子含碳原子为C₆-C₁₂沸点介于60-200℃之间的组分含量为86.8％(汽油)。结果显示，本发明所得的木质素，是很好的生产汽油的原材料。

工业应用性

(1)本发明提供一种全新的纤维素水解酶仿生催化系统，该系统可以在常温常压快速水解纤维素成葡萄糖，又可在高温高压下操作快速水解纤维素成葡萄糖，并能保证快速水解纤维素所得的较高浓度的葡萄糖液可以直接用于酒精发酵。另外，仿生催化系统应当对木质素和半纤维素的存在不敏感，仿生催化剂和酶催化剂相比一般都是很小的分子，它们很易于接近纤维素的表面迅速水解纤维素，这两点使得在使用仿生催化剂水解时，纤维素生物质的预处理可以不必要特别彻底。同时，该仿生催化系统可以催化水解半纤维素，并且所得水解产物中的降解产物不影响水解产物的发酵。

(2)本发明还提供有效使用所发明的纤维素水解酶仿生催化系统的生产工艺，使得纤维素生物质原材料中所有的主要有效成分均得到最大商业价值的体现。因为根据我们的初步估算，如果纤维素生物质原材料中所有的可发酵糖均被转化为燃料乙醇，木质素作为煤炭的替代物，对比本发明的全新生产工艺：纤维素被转化为燃料乙醇、木质素被转化为汽油、半纤维素被转化为木糖醇和无脂肪饲料，前者每吨纤维素生物质原材料的产品产值不到本所发明新生产工艺的产品产值百分之二十。

(3)本发明还提供一种可行的催化剂回收方法，进一步降低生物质精炼厂的产品生产成本。

(4)本发明还提供一种快速常温常压纤维素生物质预处理方法，所得的纤维素很易于水解，所用的溶剂易于回收，进一步降低生物质精炼厂的产品生产成本。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (11)

1.一种用于催化水解纤维素和/或半纤维素的仿生催化剂，所述催化剂包括双酸基催化区域、和纤维素结合区域。

2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，

它具有如分子式1所示的结构：

其中，

M是双酸基催化区域，所述双酸基催化区域为铁、或锌；

L₁，L₂，L₃是纤维素结合区域，所述纤维素结合区域为单配位、双配位、三配位、和/或四配位的配体，它们可以相同，也可以不同；

A、B分别是C、N、S、B、Si、或者P，其中A和B可以相同，也可以不同，且A和B之间是单键或双键；

n代表整数，选自0、1、或2。

3.如权利要求2所述的催化剂，其特征在于，

所述单配位配体选自：以N、O、S、P、卤素、C、Si、B等为配位原子、或者以双键、三键、芳香环等为作为含一个配体点的物质，优选CO、Cp^-、有机磷配体、卤离子(Cl^-、Br^-、I^-)、PF₆ ^-、BF₄ ^-、马来酸(maleic acid)、衣康酸(itaconic acid)、富马酸(fumaric acid)或其组合；

所述双配位配体选自：N-N配体、N-P配体、P-O配体、P-P配体、O-N配体、O-S配体、S-N配体、O-O配体、P-S配体、S-S配体、以及其它以N、O、S、P、C、B、Si、为配位原子的含任何两个配体点的物质，优选

所述三配位配体选自：N-N-N配体、N-P-N配体、P-N-N配体、P-P-N配体、P-N-P配体、O-N-N配体、S-N-N配体、O-N-O配体、P-N-S配体、P-P-P配体、S-S-S配体、O-O-O配体、其它N、O、S、P、C、B、Si、为配位原子的含任何三个配体点的物质，优选三氮的三联吡啶(terpyridine)、使用氮和氧的麦芽酚(maltol)或其组合。

4.一种水解纤维素生物质的方法，所述纤维素生物质含有纤维素、半纤维素和/或木质素，该方法包括如下步骤：

(a)提供仿生催化剂和纤维素生物质的混合物，

(b)将步骤(a)的混合物进行水解，得到含有单糖的水解物；

(c)所述步骤(b)的水解物进行发酵、降解或液化，得到液体燃料，所述液体燃料包括乙醇、汽油、芳香化合物或其组合。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)在热力场中进行。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述纤维素生物质为经过预处理的纤维素生物质，所述预处理采用强酸或强碱高温高压法、强酸或强碱爆裂法、氨爆裂法、常温常压化学物理场法或其组合；

优选地，所述常温常压化学物理场法的物理场是超声波、微波、磁力或其组合；

优选地，所述常温常压化学物理场法中的化学试剂为可以通过蒸馏而易于回收再用的物质，更优选氨水、浓磷酸。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述常温常压化学物理场法中的化学试剂是浓磷酸时，预处理包括以下步骤：

将纤维素生物质和浓磷酸的混合物至于物理场内进行处理，得到预处理的纤维素生物质；

所述预处理的纤维素生物质进行分离，得到纤维素和回收的磷酸和有机溶剂。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述步骤(b)中采用常温常压化学物理场法对纤维素生物质进行预处理，其中所述物理场为超声波场，频率范围在17kHz到300MHz之间，最合适的频率范围在18kHz到100MHz之间，强度范围在0.1W-10kW/L之间，优选0.1Watts/cm²到300Watts/cm²之间，最合适的强度范围在2-6kW之间，优选80Watts/cm²到200Watts/cm²之间，最优选2kW/20kHz的超声波；和/或所述物理场为微波场，微波频率在300兆赫(MHz)到300千兆赫(GHz)，强度范围在0.1W-10kW/L之间，优选微波强度范围在100-3000W/L之间；和/或所述物理场为磁力场，磁力场强度为0.2-12T。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括催化剂的回收步骤(d1)：采用有机溶剂萃取步骤(b)的水解物，得到回收的催化剂。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括催化剂的回收步骤(d2)：通过使用交换树脂处理步骤(b)的水解物，得到回收的催化剂；

优选地，所述交换树脂为大孔吸附树脂、大孔吸附型弱碱性树脂、热再生树脂或其组合。

11.一种如权利要求1所述仿生催化剂的用途，用于水解纤维素利/或半纤维素。

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