CN102212976A

CN102212976A - 一种分离甘蔗渣纤维素和木质素的方法

Info

Publication number: CN102212976A
Application number: CN 201110095347
Authority: CN
Inventors: 王兆梅; 郑翠; 李琳; 魏东
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-04-16
Filing date: 2011-04-16
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2031-04-16
Also published as: CN102212976B

Abstract

本发明涉及一种分离甘蔗渣纤维素和木质素的方法，包括；甘蔗渣充分干燥，机械粉碎，用索式抽提脱蔗蜡，再通过热水浴脱除半纤维素，将脱半纤维素的蔗渣与离子液混合，超声作用3~5min，使蔗渣中的木质素在离子液中溶解，加碱稀释后，通过过滤分离出脱木质素的蔗渣纤维素；溶解的木质素调节pH值2~3沉淀析出，通过离心分离木质素；通过中和、有机溶剂萃取和真空浓缩的方法回收离子液。得到的蔗渣纤维素的酶降解能力与未分离的蔗渣相比大大提高。

Description

一种分离甘蔗渣纤维素和木质素的方法

技术领域

本发明涉及一种分离甘蔗渣成为纤维素和木质素的方法，得到的蔗渣纤维素的酶降解能力与未分离的蔗渣相比大大提高。

背景技术

越来越多的国家特别是发达国家已经把农林废弃物等可再生资源的转化利用列入社会经济可持续发展的重要战略，农林废弃生物质的有效利用，已经成为当今人类可持续发展的重点之一。在我国，甘蔗渣是一种重要的农业废弃资源，我国海南、广东、广西、福建、云南等多个省份种植甘蔗，每个糖厂都库存大量甘蔗渣，按每产1 吨糖就产生2 吨甘蔗渣计算，我国在2005年就产生17686 万吨蔗渣。相对于其它农林废弃资源而言，蔗渣具有资源集中、易于收集的优势。但是，限于技术的原因，目前蔗渣的利用还仅限于作糖厂锅炉燃料，或极少部分做饲料填充剂。总体而言，蔗渣的利用率不高、且附加值低。

从当前生物质综合利用的发展趋势看，生物质主要成分的高效分离和对各组分的分别利用将是有效提高其附加值的关键。蔗渣主要由纤维素（40-45%）、半纤维素（28-30%）和木质素（19-21%）组成。纤维素是甘蔗渣的主要成分，可通过纤维素酶水解形成单糖，替代以石油为基础的化工原料，从而实现纤维素可再生资源转化获得新材料、高热值能源、化工原料及药物等高附加值产品。蔗渣以纤维素的结晶微纤丝为骨架，木质素和半纤维素形成牢固结合层，包围着纤维素，阻碍酶与纤维素的接触，造成蔗渣酶水解的困难，因此，保持蔗渣的酶水解有效地进行，应当破坏木质素和半纤维素的结合层，将纤维素与木质素、半纤维素分离。

目前，以提高农林废弃纤维资源利用为目的的研究多采用预处理的方法破坏木质素与纤维素的结合，这些方法包括热水蒸煮、蒸汽爆破、酸碱处理和微生物预降解等，能耗高、环境污染和效率低是这些方法的弊端。这些预处理方法未考虑将纤维素与其它组分分离，而木质素本身是纤维素酶的抑制剂，各种预处理即使能够破坏木质素与纤维素的结合，但不能有效排除木质素抑制剂的影响，可见，蔗渣纤维的高效、高附加值的利用从根本上有赖于新技术的发展，特别是有效的分离技术。专利文献“一种分级分离甘蔗渣成为高a-纤维素纸浆、木聚糖和木素的方法”公开了一种通过分级热处理获得蔗渣纤维素的方法，该方法热能消耗大，且高温对设备要求严格。最近，有研究发现，离子液对木质素有较好的溶解能力。离子液是一种性能优越新型溶剂，具有零挥发、绿色、安全无毒的特点。本发明提出以离子液为介质，从蔗渣中分离木质素、纯化蔗渣纤维素的新方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高效分离和水解蔗渣纤维素的绿色新方法。以甘蔗渣为原料，经过粉碎、干燥、脱蜡，水煮脱半纤维素，再用绿色溶剂离子液脱木质素，得到较高纯度、且失去结晶结构的蔗渣纤维素。分离得到的蔗渣纤维素的酶水解效率与未处理的蔗渣相比大大提高，从而解决了蔗渣纤维的酶水解困难的问题。

本发明目的通过以下技术方案来实现。

一种分离甘蔗渣纤维素和木质素的方法，包括如下步骤：

（1）蔗渣经过破碎，干燥，脱蜡，脱除半纤维素后，过滤，干燥滤渣，得到脱半纤维素的蔗渣；

（2）离子液在60~80°C，20~24 mbar下真空干燥24~48 h；

（3）在离子液中加入脱半纤维素的蔗渣，混合均匀，施加超声3~5 min后，加入碱溶液，离心，收集上清液，洗涤残留物并干燥后，得到蔗渣纤维素；

（4）调节上清液的pH值为2~3，在4~6°C放置12~24h，得到的悬浮液，离心，得到的沉淀物干燥后，得到木质素；

所述离子液为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑氯化物，优选1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐。离子液为无水离子液。用量优选按每1 g脱半纤维素蔗渣加10~20 g离子液。

步骤（3）所述加入碱溶液是稀释作用。在离子液中加入脱半纤维素的蔗渣，施加超声，使得木质素在离子液中溶解。洗涤未溶解的残留物并干燥后，得到蔗渣纤维素

步骤（1）中，所述蔗渣是甘蔗榨汁后的剩余固体残渣，或者去蔗髓后的甘蔗渣，优选取去蔗髓后的蔗渣。

所述破碎为机械粉碎至蔗渣依次过2.0 mm和0.5 mm的筛。

步骤（1）所述干燥为鼓风干燥或晒干，干燥至水分含量5%以下。

步骤（1）所述脱蜡是将干燥后的蔗渣粉，置于索氏提取器中，用体积比为2:1的甲苯-乙醇作溶剂，50~60°C下抽提4~6 h，然后取出甘蔗渣，50~60°C下鼓风干燥12~16 h。

步骤（2）所述脱除半纤维素是在步骤（1）得到的蔗渣中加入去离子水，在60~80°C水浴中放置2~4 h，过滤，取滤渣，60~70°C干燥，得到脱半纤维素的蔗渣。脱半纤维素也可采用蒸汽爆破的方法。

所述施加超声是将超声探头插入液面下，浸入深度为液面深度的1/2~3/4。

所述超声的功率为15~30W，所述超声的工作方式为间歇工作，工作1 min，停1 min。

步骤（4）所述离心的转速为11600′g，离心时间为20~30 min。

步骤（5）所述离心的转速为8030′g，离心时间为5 min。

步骤（5）所述的离心得到的上清液首先用盐酸调节pH至7.0，然后在70°C下真空旋转蒸发3~5 h，真空度2~4 mbar，再加入有机萃取溶剂，振荡萃取30 min，静置10 min，分离下层含离子液的萃取溶剂层，在真空度2~4 mbar，70°C下真空旋转蒸发2~3 h，除去萃取剂，即得回收的离子液。

所述有机萃取溶剂为乙酸乙酯或乙醇-丙酮。当离子液为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐时，有机萃取溶剂优选乙酸乙酯，当离子液为1-丁基-3-甲基咪唑氯化物时，有机萃取溶剂优选乙醇:丙酮（1:3, v/v）。

通过所述方法得到的蔗渣纤维素产率为39-44%（w/w，g/g），其中木质素重量含量8~12%，表明蔗渣中大部分木质素脱除，经测试，所分离的蔗渣纤维素完全失去结晶结构，纤维素酶解率达到96~99%，说明本发明是一种高效分离和水解蔗渣纤维素的绿色新方法，离子液-超声联合处理，可以有效脱去蔗渣中的木质素，破坏蔗渣中纤维素的结晶构造，从而大大提高蔗渣中纤维素的酶降解效率。

本发明根据文献有关离子液溶解木质素的报道，联合超声强化技术，促进了蔗渣中的木质素短时间内从蔗渣中分离，同时，利用离子液与纤维素中氢键的相互作用，破坏蔗渣纤维素的结晶结构，提高纤维素酶的可及性，大大提高蔗渣纤维素的酶降解效率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1．本发明的方法与现有技术不同，现有技术采用高温或酸碱预处理的方法提高蔗渣纤维素的酶解效率，本发明提出将木质素、半纤维素与纤维素分开的方法，从而排除了木质素对纤维素酶活性的抑制作用；

2．本发明的方法与现有技术不同，现有技术以离子液1-丁基-3-甲基咪唑氯化物处理蔗渣提高纤维素酶解效率，本发明优选另一种能溶解木质素的离子液1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐将蔗渣中木质素与纤维素分离；

3．本发明的方法与现有技术不同，现有技术可使蔗渣的酶解效率提高2倍左右，采用本发明的方法可使蔗渣纤维素的酶解率达到96~99%，比未处理蔗渣提高6倍以上；

4．本发明的方法与现有技术不同，现有技术采用酸碱处理从蔗渣中分离纤维素，具有工艺复杂、污染环境等不足，本发明方法采用环境友好的绿色溶剂离子液为主要介质，离子液回收循环再利用，做到零排放、无污染；

5．本发明的方法与现有专利不同，现有技术采用蒸汽爆破和多级高温处理的方法分离蔗渣中的纤维素，具有能耗高的不足，本发明采用通过超声强化手段可大大缩短处理时间，节省能源。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，本发明并不限于此。

实施例1

蔗渣经过太阳暴晒后，置于贝利微粉机进行机械粉碎30 min，得到蔗渣细粉依次过2.0 mm和0.5 mm的筛，密封在样品袋中，室温干燥处保存；取干燥的甘蔗渣粉100 g，置于索氏提取器中脱蜡，用甲苯-乙醇（2:1, v/v）作溶剂， 50°C下抽提4 h，然后取出甘蔗渣，50°C下鼓风干燥16 h；脱蜡蔗渣中加入800 mL水， 60°C水浴下放置4 h，过滤，分离取滤渣，得到脱半纤维素的蔗渣；称取离子液1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐，用量按每1 g脱半纤维素蔗渣加10 g离子液在60°C，20 mbar下真空干燥48 h，然后放入玻璃小瓶，加入脱半纤维素蔗渣，涡旋振荡2 min使蔗渣与离子液混合均匀，然后将超声探头插入离子液液面下，浸入深度为液面深度的1/2，调节超声功率30 W（超声仪器输出功率为0~150 W，频率20 kHz，超声作用方式为工作1 min—间歇1 min），超声作用时间3 min，超声结束后向烧瓶中加入0.1 M的NaOH 100 mL，然后在11600′g下离心20 min，上清液收集用以分离木质素，未溶解残留物用500 mL去离子水洗涤，再用布氏漏斗过滤，得到的滤渣在50°C下真空干燥20 h，得到蔗渣纤维素；上清液转移到离心管，用硫酸调节pH值为3，将离心管置于冰箱（6°C）中放置12 h，使木质素充分沉降析出，悬浮液在8030′g下离心5 min，收集上清液，用以回收离子液，滤渣在50°C下真空干燥10 h，得到酸不溶木质素；过滤上清液中含有离子液、NaOH和水，为了回收离子液，首先用盐酸调节pH至7.0，然后在70°C下真空旋转蒸发3 h，真空度2 mbar，再加入有机萃取溶剂甲苯-乙醇（1:1, v/v），振荡萃取30 min，静置10 min，分离下层含离子液的萃取溶剂层，在真空度2 mbar，70°C下真空旋转蒸发2 h，除去萃取剂，即得回收的离子液。经测试，蔗渣纤维素的产率为39%（w/w，g/g），其中木质素重量含量9%，蔗渣纤维素的结晶结构完全消失。

实施例2

脱蔗髓的甘蔗渣1 kg在70°C下鼓风干燥12 h，水分含量0.3%，置于贝利微粉机进行机械粉碎20 min，得到蔗渣细粉依次过2.0 mm和0.5 mm的筛，密封在样品袋中，室温干燥处保存；取干燥的甘蔗渣粉100 g，置于索氏提取器中脱蜡，用甲苯-乙醇（2:1, v/v）作溶剂，55°C下抽提5 h，然后取出甘蔗渣，60°C下鼓风干燥12 h；脱蜡蔗渣中加入800 mL水，65°C水浴下放置2 h，过滤，分离取滤渣，得到脱半纤维素的蔗渣；称取离子液1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐，用量按每1 g脱半纤维素蔗渣加20 g离子液在70°C，24 mbar下真空干燥30 h，然后放入玻璃小瓶，加入脱半纤维素蔗渣，涡旋振荡3 min使蔗渣与离子液混合均匀，然后将超声探头插入离子液液面下，浸入深度为液面深度的3/4，调节超声功率15W，（超声仪器输出功率为0~150 W，频率20 kHz，超声作用方式为工作1 min—间歇1 min），超声作用时间5 min，超声结束后向烧瓶中加入0.1 M的NaOH 100 mL，然后在11600′g下离心25 min，上清液收集用以分离木质素，未溶解残留物用500 mL去离子水洗涤，再用布氏漏斗过滤，得到的滤渣在60°C下真空干燥20 h，得到蔗渣纤维素；上清液转移到离心管，用硫酸调节pH值为2，将离心管置于冰箱（4°C）中隔夜放置，使木质素充分沉降析出，悬浮液在8030′g下离心5 min，收集上清液，用以回收离子液，滤渣在55°C下真空干燥10 h，得到木质素；过滤上清液中含有离子液、NaOH和水，为了回收离子液，首先用盐酸调节pH至7.0，然后在70°C下真空旋转蒸发4 h，真空度4 mbar，再加入有机萃取溶剂甲苯-乙醇（1:1, v/v），振荡萃取30 min，静置10 min，分离下层含离子液的萃取溶剂层，在真空度4 mbar，70°C下真空旋转蒸发2~3 h，除去萃取剂，即得回收的离子液。经测试，蔗渣纤维素的产率为44%（w/w，g/g），其中木质素重量含量10%，蔗渣纤维素的结晶结构完全消失。

实施例3

甘蔗渣干燥12 h，水分含量0.3%，取1 kg甘蔗渣在60°C下干燥8 h，置于贝利微粉机进行机械粉碎20 min，得到蔗渣细粉依次过2.0 mm和0.5 mm的筛，密封在样品袋中，室温干燥处保存；取干燥的甘蔗渣粉100 g，置于索氏提取器中脱蜡，用甲苯-乙醇（2:1, v/v）作溶剂，60°C下抽提6 h，然后取出甘蔗渣， 60°C下鼓风干燥12 h；脱蜡蔗渣中加入800 mL水， 80°C水浴下放置2 h，过滤，分离取滤渣，得到脱半纤维素的蔗渣；称取离子液1-丁基-3-甲基咪唑氯化物，用量按每1 g脱半纤维素蔗渣加10 g离子液在80°C， 24 mbar下真空干燥24 h，然后放入玻璃小瓶，加入脱半纤维素蔗渣，涡旋振荡2 min使蔗渣与离子液混合均匀，然后将超声探头插入离子液液面下，浸入深度为液面深度的3/4，调节超声功率30W，（超声仪器输出功率为0~150 W，频率20 kHz，超声作用方式为工作1 min—间歇1 min），超声作用时间4 min，超声结束后向烧瓶中加入0.1 M的NaOH 100 mL，然后在11600′g下离心30 min，上清液收集用以分离木质素，未溶解残留物用500 mL去离子水洗涤，再用布氏漏斗过滤，得到的滤渣在60°C下真空干燥20 h，得到蔗渣纤维素；过滤上清液转移到离心管，用硫酸调节pH值为2，将离心管置于冰箱（4°C）中隔夜放置24h，使木质素充分沉降析出，悬浮液在8030′g下离心5 min，收集上清液，用以回收离子液，滤渣在60°C下真空干燥10 h，得到木质素；过滤上清液中含有离子液、NaOH和水，为了回收离子液，首先用盐酸调节pH至7.0，然后在70°C下真空旋转蒸发5 h，真空度4 mbar，再加入有机萃取溶剂甲苯-乙醇（1:1, v/v），振荡萃取30 min，静置10 min，分离下层含离子液的萃取溶剂层，在真空度4 mbar，70°C下真空旋转蒸发3 h，除去萃取剂，即得回收的离子液。经测试，蔗渣纤维素的产率为41%（w/w，g/g），其中木质素重量含量11%，蔗渣纤维素的结晶结构完全消失。

本蔗渣纤维素的酶降解试验

将实施例1～3所制得的蔗渣纤维素用纤维素酶进行酶降解，取10 mg蔗渣纤维素，放入25 mL的三角瓶中，加入50 mM柠檬酸缓冲液（pH4.8）3.5 mL，纤维素酶用相同浓度的柠檬酸缓冲液溶解，按35 U/mL的用量加入纤维素酶，在50°C水浴中，100 rpm摇床上振荡反应11 h，反应完成后，将反应液煮沸灭酶，在8030 g下离心5 min，用NaOH调节pH至7.0，用高效液相色谱测水解产物葡萄糖的浓度。结果发现，在蔗渣纤维素含量相同的情况下，未经离子液处理的蔗渣的酶解率为13~16%，而经过离子液处理分离得到的蔗渣纤维素酶解率为96~99%，表明采用本发明的一种高效分离和水解蔗渣纤维素的绿色新方法，可以有效脱去蔗渣中的木质素，破坏蔗渣中纤维素的结晶构造，从而大大提高蔗渣中纤维素的酶降解效率。

Claims

1.一种分离甘蔗渣纤维素和木质素的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（2）离子液在60~80°C，20~24 mbar下真空干燥24~48 h；

所述离子液为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑氯化物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述干燥为鼓风干燥或晒干，干燥至水分含量5%以下。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述脱蜡是将干燥后的蔗渣粉，置于索氏提取器中，用体积比为2:1的甲苯-乙醇作溶剂，50~60°C下抽提4~6 h，然后取出蔗渣，50~60°C下鼓风干燥12~16 h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述脱除半纤维素是在步骤（1）得到的蔗渣中加入去离子水，在60~80°C水浴中放置2~4 h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加超声是将超声探头插入液面下，浸入深度为液面深度的1/2~3/4。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声的功率为10~30W，所述超声的工作方式为间歇工作，工作1 min，停1 min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述离心的转速为11600′g，离心时间为20~30 min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述离心的转速为8030′g，离心时间为5 min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述的离心得到的上清液首先用盐酸调节pH至7.0，然后在70°C下真空旋转蒸发3~5 h，真空度2~4 mbar，再加入有机萃取溶剂，振荡萃取30 min，静置10 min，分离下层含离子液的萃取溶剂层，在真空度2~4 mbar，70°C下真空旋转蒸发2~3 h，除去萃取剂，即得回收的离子液。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述有机萃取溶剂为乙酸乙酯或乙醇-丙酮。