CN102382870A

CN102382870A - 一种预处理和水解微晶纤维素的方法

Info

Publication number: CN102382870A
Application number: CN2011102279434A
Authority: CN
Inventors: 田霄飞; 方真
Original assignee: Xishuangbanna Tropical Botanical Garden of CAS
Current assignee: Xishuangbanna Tropical Botanical Garden of CAS
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102382870B

Abstract

本发明的目的是在绿色化学与生物质新能源生产技术领域，提供一种使用有机电解质溶解和预处理微晶纤维素的方法，该方法经济高效，能够快速溶解微晶纤维素，并且对环境污染小，有机电解质可以重复回收利用。处理后的再生纤维素的初始水解速率能够提高5-6倍，72小时水解率提高了6-8倍。该方法主要由有机电解质的制备、纤维素的溶解再生、纤维素的水解和有机电解质回收和循环利用等四个步骤组成。

Description

一种预处理和水解微晶纤维素的方法

技术领域

本发明属于绿色化学与生物质新能源生产技术领域，具体涉及到使用有机电解质溶解和预处理纤维素类的生物质与预处理后的生物质高效水解领域。

背景技术

随着近年来石油储量的减少和环境污染的日益加剧，绿色可再生原料的综合利用是实现社会可持续发展的必要手段。纤维素是自然界中储量最为丰富的可再生天然高分子物质，每年再生量超过1.0×10¹⁰吨。而且纤维素还具有易降解、无污染、易于改性等优点，纤维素及其衍生物已经广泛地应用于传统的塑料、纺织、造纸、油田、食品、日化、医药、建筑等行业。更重要的是纤维素已经成为生产生物燃料和新型材料的重要原料。

天然纤维素分子间和分子内存在大量的氢键，具有较高的结晶度，具有聚集态结构的特点。在生物燃料的生产过程中，最为关键的步骤是纤维素充分水解成为葡萄糖。纤维素的高结晶度，强烈地阻碍了酸、碱、酶或者固体催化剂与纤维素分子内部的接触，极大地延长了水解的周期、增加了催化剂的用量。为消除天然纤维素这一局限，需对其微晶结构进行修饰或者破坏，使其结构变得松散，从而有利于催化剂与纤维素底物的有效接触和水解。

当前，常用于木质纤维素的预处理的传统的手段主要包括物理法(球磨，粉碎，射线等)、化学法(酸、碱、有机溶剂法)，物理化学法(蒸汽爆破、氨纤维爆破)和生物法(利用白腐菌固体培养法)。而这些传统的手段总是存在着不足，例如物理法能耗高，化学法污染环境，生物法效率低下、周期长，而最有效的物理化学的方法仍存在着设备要求较高，操作复杂等问题。人们仍未停止对最经济有效的预处理方法的探索。随着技术的进步和发展，离子液体作为一种新型的溶剂用于纤维素的预处理逐渐进入了人们的视线。离子液体是在室温下，内部分子完全电离一种绿色溶剂。部分离子液体，如3-甲基-1丁基咪唑氯盐[BMIM]Cl或者3-甲基-1烯丙基咪唑氯盐[AMIM]Cl，可以有效地溶解一定量的微晶纤维素。纤维素可以通过加入水等沉淀剂，很容易地被再生。纤维素经这一处理后，水解效率可以大大得到提高。离子液体经过简单过滤和蒸馏，可以循环利用。离子液体是一种绿色高效的纤维素预处理方法。据相关文献报道，使用离子液体预处理后，纤维素的水解率能够以3-10倍的幅度提高。

然而离子液体的成本高，在纤维素的预处理中用量大；部分离子液体黏度较高，增加了搅拌的能量损耗，且造成传质不均并导致溶解效果变差、溶解时间延长(参见中国专利CN1491974A和CN1818160A)。这些因素阻碍了离子液体的应用前景。

现有技术中还采用将离子液体与有机溶剂的混合溶液，其中离子液体均由阳离子和阴离子组成：所述的阳离子为下列四类阳离子中的一种：烷基咪唑阳离子、烷基吡啶阳离子、烷基季铵阳离子和烷基季磷阳离子；阴离子为Cl-，Br-，I-，CH3COO-，SO42-，NO3-，BF4-，PF6-，SCN-，CF3SO3-，CF3COO-，(CH3O)2PO2-，(CF3SO2)N-或(CF3SO2)C-；有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜或1，4-二氧六环(参见CN101215725A)。

CN101560258A公开了一种纤维素的溶剂为1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体与二甲基亚砜助溶剂的复合溶剂。然而，上述复合溶剂存在价格昂贵，溶解纤维素时间长、能耗高等缺陷。为解决以上的问题，我们在预处理过程中使用了一类由离子液体与其它有机溶剂组成的称为有机电解质的绿色溶剂，具有快速、方便、成本低廉等优势，可实现微晶纤维素的高效预处理。

预处理后的纤维素通过水解反应，最终形成葡萄糖分子。纤维素水解的主要原理是利用各类催化的催化作用，促使纤维素的Beta-1，4-糖苷键断开，并与水电离出的氢离子和氢氧根离子作用，在1位和4位形成羟基，纤维素断裂成为葡萄糖分子。目前水解工艺中常使用催化剂包括化工催化剂(例如：液体酸、碱或者固体酸碱等)和生物催化剂(主要是纤维素酶)。其中，纤维素酶的方法具备无环境污染，无发酵抑制物产生，设备投资要求低，反应条件温和等特点，尤其是随着当今发酵工程技术的进步，工业纤维素酶的生产成本逐渐降低。应用纤维素酶已成为一种高效与绿色环保的水解纤维素技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色、高效的纤维素预处理和水解技术，以应用于纤维素乙醇工业中纤维素的快速水解生产葡萄糖的工艺中。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

除非另有说明，本发明所采用的百分数均为质量百分数。

本发明的技术方案是基于以下认识：

天然的纤维素是由葡萄糖形成的高分子聚合物，其二维结构是Beta-1，4糖苷键组成的葡萄糖长链线型结构。葡萄糖的分子上的羟基和氢原子，在纤维素的二级结构之间形成了作用力较强的氢键。二维纤维素链之间经氢键相互作用而聚合和堆积，形成了有规律排列的纤维素三维晶体结构。天然纤维素的高度结晶有利于保护纤维素分子的结构不被外界的化学和物理的作用破坏，从而保证纤维的机械强度和抗逆性，在植物体内起到重要的保护和支撑作用。离子液体是室温下就能完全电离的一种新型的溶液，具有蒸汽压低，熔点低等特点。将合适的有机溶剂与离子液体按照一定的物质量比(摩尔比)混合，形成有机电解质。有机电解质同时具备了离子液体和有机溶剂的特点：不但能够明显降低离子液体的使用成本，还可以使离子液体快速地渗透到微晶纤维素内部，彻底地溶解微晶纤维素，具有明显的价格低廉，处理时间短、能耗低，环境污染小等特点。

纤维素酶催化纤维素彻底水解成葡萄糖的过程中，属于固液两相催化反应，主要有3类酶的协同参与：外切葡聚糖酶，内切葡聚糖酶和纤维二糖酶。在纤维素的降解过程中，首先是纤维素酶分子吸附到纤维素表面，然后内切葡聚糖酶在葡聚糖链的随机位点水解底物，产生寡聚糖；外切葡聚糖酶从葡聚糖链的非还原端进行水解，纤维二糖为主要产物；而纤维二糖酶可最终水解纤维素二糖为葡萄糖。纤维素催化水解速率的趋势为先快后慢。这主要是由于纤维素酶的催化能力受到以下的因素的影响：1)底物抑制效应。纤维素酶的水解产物能够强烈地抑制酶的活性，如：纤维二糖能够抑制外切葡聚糖酶的活性，葡萄糖能够抑制纤维二糖酶的活性。2)酶的失活：受到反应液中的某些抑制物(比如盐类或者离子液体)的影响，引起酶的催化活性中心结构的改变，从而导致催化能力丧失或者减弱。3)酶的不可逆吸附效应。反应底物中的一些成分，(主要是木质素)能够不可逆地吸附纤维素酶，使得酶无法有效地接触到纤维素底物，减慢了水解的速率。

为了提高纤维素酶的催化能力，除了筛选催化活力更高的酶的品种外，在具体的工艺中一般采取：增加酶的使用量，添加纤维二糖酶、添加一定量的表面活性剂等方法。

一种使用有机电解质溶解和预处理微晶纤维素的方法，包括以下步骤：

1)有机电解质的制备：有机溶剂为1，3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、吡咯烷酮(pyrrolidinone)和环砜烷(sulfolane)三者混合物；离子液体为3-甲基-1-丁基吡咯氯盐([BMPL]Cl)和1，3-二甲基咪唑二乙基磷酸盐([MMIM]DEP)的混合物，离子液体使用前90℃真空干燥36小时；然后将有机溶剂和离子液体按照一定的比例机械震荡混匀形成有机电解质溶液。

2)纤维素的溶解再生：将5％的微晶纤维素加入1)步骤有机电解质中，加热并混匀形成清澈透明的纤维素溶液，然后将纤维素溶液中加入5倍体积的沉淀剂中剧烈震荡并过滤，得到滤液和再生纤维素。

3)纤维素的水解：将步骤2)得到的再生纤维素在60℃热水中洗涤3次并冻干，冻干后的纤维素粉末，在添加了60FPU/g纤维素酶和64pNPGU/g纤维二糖的柠檬酸钠缓冲液体系中水解，其中柠檬酸钠缓冲液的浓度为50mM，pH为4.8。

4)有机电解质的回收和循环利用：将步骤2)中过滤得到的滤液通过两次减压蒸馏回收有机溶剂与离子液体，回收的有机溶剂与离子液体重新按照步骤1)混合，制备再生有机电解质溶液进行循环利用。

其中，步骤1)1，3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、吡咯烷酮(pyrrolidinone)和环砜烷(sulfolane)三者的摩尔比例为1∶1∶1或1∶2∶2或1∶3∶2；3-甲基-1-丁基吡咯氯盐([BMPL]Cl)和1，3-二甲基咪唑二乙基磷酸盐([MMIM]DEP)的摩尔比例为1∶2或1∶3；有机溶剂和离子溶液的体积比为1∶(1-2)。

步骤2)中加热的方式包括两种：油浴110℃加热30min，或者在不高于50J/mg-纤维素的辐射能量密度条件下，微波加热。搅拌的方式分为两种：100rpm磁力搅拌或者300W、40KHz超声波震荡。沉淀剂的种类为常温下(0-30℃)的纯水，或者为：含有10％(v/v)乙醇的水，含有10％(v/v)甘油的水，含有10％(v/v)聚乙二醇(PEG 400)的水。

步骤4)中两次减压蒸馏的步骤包括：在0.03MPa、90℃条件下旋蒸20-30min，得到蒸出和残留的馏分，其中蒸出的馏分在0.03MPa，30℃条件下旋蒸10-20min，回收蒸出的有机溶剂；残留的馏分在90-100℃下真空干燥24h，回收再生离子液体。

相对于现有离子液体预处理和酶水解纤维素的技术，本发明具有以下优点：

1.相对于单纯的离子液体，在纤维素的相同溶解力的条件下，使用有机电解质的成本低廉；相对于现有技术中的其他介质溶液，本发明的有机电解质存在价格低廉，溶解纤维素时间短、能耗高低等优点。

2.使用5％的微晶纤维素能够在相对较短的时间内完全溶解于有机电解质中；如果加入量过多会出现材料溶解不均发生结块的现象，如果过少会降低有机电解质的利用率；

3.由于有机电解质的低黏度，在110℃下100rpm磁力搅拌30min或者不高于50J/mg-纤维素的微波加热量条件下，已经能够使得纤维素充分地均匀扩散和完全地溶解。相对已有的报道，这是一种比较温和的快速溶解方式，明显地降低了能量的消耗。

4.本专利使用微波和超声波协同的作用，能够在不到一分钟内使5％的微晶纤维素完全溶解在有机电解质中，极大地提高了溶解效率。

5.使用含有10％(v/v)乙醇的水，含有10％(v/v)甘油的水，含有10％(v/v)聚乙二醇(PEG 400)的水，这些添加在水中的含有羟基的有机溶剂在纤维素的再生过程中，能够与纤维素的羟基作用，妨碍了纤维素链之间氢键的形成，防止纤维素的重新聚合结晶。实验表明，添加以上有机溶剂的沉淀剂再生的纤维素的72小时水解率是常规使用水做沉淀剂再生纤维素的水解率的1.5-2倍。

6.同时相对于使用加热的沉淀剂，使用常温下(0-30℃)沉淀剂并不对再生纤维素的水解率产生明显的降低作用；且使用室温下的沉淀剂能够节省加热沉淀剂的能源消耗，简化了操作步骤。

具体实施方式

为了更好地了解本发明，下面用本发明的实施例证来进一步说明本发明的内容，但本发明的内容并不局限于此。

实施例一：

有机溶剂为1，3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、吡咯烷酮(pyrrolidinone)和环砜烷(sulfolane)三者混合物，其中三者按照1∶1∶1的摩尔比混合；离子液体为3-甲基-1-丁基吡咯氯盐([BMPL]Cl)和1，3-二甲基咪唑二乙基磷酸盐([MMIM]DEP)的混合物，其中二者按照1∶2的摩尔比混合，离子液体使用前100℃真空干燥36；然后将有机溶剂和离子液体按照体积比1∶2，震荡混匀形成有机电解质溶液。有机电解质溶液中加入5％的微晶纤维素，油浴110℃加热30min，110℃下磁力搅拌20min，形成清澈透明的纤维素溶液。

纤维素溶液中加入5倍体积室温下的水剧烈震荡并过滤，得到滤液和胶状的再生纤维素。

其中，再生纤维素在60℃热水中洗涤3次并冻干。冻干后的纤维素粉末，在添加了60FPU/g纤维素酶(60FPU纤维素酶/g底物)和64pNPGU/g纤维二糖(64纤维二糖酶pNPGU/g底物)的50mM pH 4.8柠檬酸钠缓冲液体系中水解。初始水解速率为0.94％/h，为未经处理的5.31倍；48小时水解率达到58.76％，为未经处理纤维素的7.6倍。

过滤得到的滤液通过两次减压蒸馏回收有机溶剂与离子液体。回收的有机溶剂与离子液体重新按照先前步骤混合，制备再生有机电解质溶液进行循环利用。两次减压蒸馏包括：在0.03MPa、90℃条件下旋蒸20-30min，得到蒸出和残留的馏分。其中蒸出的馏分在0.03MPa，30℃条件下旋蒸10-20min，回收蒸出的有机溶剂；残留的馏分在90-100℃下真空干燥24h，回收再生离子液体。

实施例二：

有机溶剂为1，3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、吡咯烷酮(pyrrolidinone)和环砜烷(sulfolane)三者混合物，其中三者按照1∶2∶2的摩尔比混合；离子液体为3-甲基-1-丁基吡咯氯盐([BMPL]Cl)和1，3-二甲基咪唑二乙基磷酸盐([MMIM]DEP)的混合物，其中二者按照1∶3的摩尔比混合，离子液体使用前90℃真空干燥36小时；然后将有机溶剂和离子液体按照体积比1∶1，震荡混匀形成有机电解质溶液。有机电解质溶液中加入5％的微晶纤维素，按照40J/g纤维素的量微波加热有机电解质与纤维素的混合溶液，并使用300W、40KHz超声波震荡，0.5分钟后形成清澈透明的纤维素溶液。

纤维素溶液中加入5倍体积的室温下10％PEG 400和水的混合物水剧烈震荡并过滤，得到滤液和胶状的再生纤维素。

其中，再生纤维素在60℃热水中洗涤3次并冻干。冻干后的纤维素粉末，在添加了60FPU/g纤维素酶和64pNPGU/g纤维二糖的50mM pH 4.8柠檬酸钠缓冲液体系中水解。初始水解速率为1.34％/h，为未经处理的5.78倍；48小时水解率达到64.08％，为未经处理纤维素的8.66倍。

实施例三：

有机溶剂为1，3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、吡咯烷酮(pyrrolidinone)和环砜烷(sulfolane)三者混合物，其中三者按照1∶3∶2的摩尔比混合；离子液体为3-甲基-1-丁基吡咯氯盐([BMPL]Cl)和1，3-二甲基咪唑二乙基磷酸盐([MMIM]DEP)的混合物，其中二者按照1∶2的摩尔比混合，离子液体使用前95℃真空干燥40h；然后将有机溶剂和离子液体按照体积比1∶1，震荡混匀形成有机电解质溶液。有机电解质溶液中加入5％的微晶纤维素，室温下按照30J/g-纤维素的辐射量微波加热，100rpm磁力搅拌10分钟形成清澈透明的纤维素溶液。

纤维素溶液中加入5倍体积室温下的10％乙醇和水的混合溶液，剧烈震荡并过滤，得到滤液和胶状的再生纤维素。

其中，再生纤维素在60℃热水中洗涤3次并冻干。冻干后的纤维素粉末，在添加了60FPU/g纤维素酶和64pNPGU/g纤维二糖的50mM pH 4.8柠檬酸钠缓冲液体系中水解。初始水解速率为1.49％/h，为未经处理的5.62倍；48小时水解率达到57.51％，为未经处理纤维素的7.35倍。

发明人通过反复试验筛选出了高效的有机电解质，并将其预处理效果与现有技术中的其他溶剂作了对比试验，参见下表1

表1预处理和水解效果对比试验数据，其中A：110℃，100rpm磁力搅拌；B：50J/mg-纤维素的辐射能量密度微波辐射加热300W、40KHz超声波超生波协同混合；C：25℃水；D：25℃含10％PEG 400的水；E：25℃含10％甘油的水。

结论：本发明的有机溶剂和溶解沉淀方法在纤维素溶解时间、初始水解速率以及48小时酶水解率等方面明显优于现有技术中的其他有机溶剂及方法。

Claims

1.一种使用预处理和水解微晶纤维素的方法，其特征在于包括如下步骤：

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)1，3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、吡咯烷酮(pyrrolidinone)和环砜烷(sulfolane)三者的摩尔比例为1∶1∶1或1∶2∶2或1∶3∶2；3-甲基-1-丁基吡咯氯盐([BMPL]Cl)和1，3-二甲基咪唑二乙基磷酸盐([MMIM]DEP)的摩尔比例为1∶2或1∶3；有机溶剂和离子溶液的体积比为1∶(1-2)。

3.按照权利要求1-2任其一所述的方法，其特征在于：步骤2)沉淀剂为常温下(0-30℃)含有10％(v/v)甘油的水，含有10％(v/v)聚乙二醇(PEG 400)的水。

4.按照权利要求1-3任其一所述的方法，其特征在于：步骤4)中两次减压蒸馏的步骤包括：在0.03MPa、90℃条件下旋蒸20-30min，得到蒸出和残留的馏分，其中蒸出的馏分在0.03MPa，30℃条件下旋蒸10-20min，回收蒸出的有机溶剂；残留的馏分在90-100℃下真空干燥24h，回收再生离子液体。