CN102676612B

CN102676612B - 提高酶水解率的木质纤维素预处理方法

Info

Publication number: CN102676612B
Application number: CN201210144959.3A
Authority: CN
Inventors: 袁同琦; 许凤; 孙润仓; 张利鸣; 孙少妮
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: CN102676612A

Abstract

本发明公开了一种提高酶水解率的木质纤维素预处理方法，包括如下步骤：a.将脱蜡后的木粉溶解于离子液体中，得离子液体溶液；b.将上述离子液体溶液转移到反相溶剂中进行再生；c.将经过反相溶剂再生后的离子液体溶液进行过滤，并冷冻干燥后得到再生木粉；d.将步骤c所得再生木粉进行温和碱处理后，去除木质素组分和半纤维素组分得碱处理后的残渣；e.对碱处理后的残渣进行酶水解得到葡萄糖。本发明方法提高了木质纤维素中纤维素的酶水解转化率。

Description

提高酶水解率的木质纤维素预处理方法

技术领域

本发明涉及木质纤维素处理技术领域，具体地说是一种提高酶水解率的木质纤维素预处理方法。

背景技术

随着石油资源的日益减少、石油价格的连续攀升以及人们对环境问题的广泛关注，木质纤维素资源已成为石化资源的一个理想替代品。木质纤维素原料主要成分为纤维素（35%～50%）、半纤维素（20%～40%）和木质素（15%～25%）。在木质纤维素原料中，这三种主要成分构成植物体的支持骨架，其中纤维素组成微细纤维，构成纤维细胞壁的网状骨架，而半纤维素和木质素则以共价键相连填充在纤维和微细纤维之间，形成一种类似钢筋水泥交错的“混凝土结构”。而出于研究或应用的需要，常常需要对木质纤维素的主要成分进行分离。

为对木质纤维素的组分进行分离，进行生物质的炼制，从而对生物质进行组分利用，常常需要对木质纤维素进行酶水解，使木质纤维素中的纤维素酶解转化为葡萄糖。现有的酶水解方法虽然较为成熟，但由于木质纤维素中木质素的影响，使纤维素的酶水解率一直不太理想。

鉴于上述现有的提高酶水解率的木质纤维素预处理方法中存在的问题，本发明人基于多年的实践经验及丰富的专业知识积极加以研究和创新，最终发明一种提高酶水解率的木质纤维素预处理方法，以解决现有技术中的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种提高酶水解率的木质纤维素预处理方法，本发明方法提高了木质纤维素中纤维素的酶水解转化率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

提高酶水解率的木质纤维素预处理方法，包括如下步骤：

a.将脱蜡后的木粉溶解于离子液体中，得离子液体溶液；

b.将上述离子液体溶液转移到反相溶剂中进行再生；

c.将经过反相溶剂再生后的离子液体溶液进行过滤，并冷冻干燥后得到再生木粉；

d.将步骤c所得再生木粉进行温和碱处理后，去除木质素组分和半纤维素组分得碱处理后的残渣；

e.对碱处理后的残渣进行酶水解得到葡萄糖。

进一步，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([C₂mim]OAc)离子液体。

进一步，所述木粉与离子液体的质量比为1∶11～25。优选为1:11.5-19，进一步优选为1:19。

进一步，所述木粉在离子液体中溶解的温度为80-130℃。优选为110-130℃。

进一步，所述木粉在离子液体中溶解时采用油浴加热，并通氮气保护。

进一步，所述经过反相溶剂再生后的离子液体溶液通过硝酸纤维素滤膜进行过滤。

进一步，所述再生木粉用1M的NaOH溶液在75℃下处理3小时，再生木粉与NaOH溶液的固液比为1∶15，单位为g/mL。

进一步，所述脱蜡后的木粉为80-100目的木粉。

进一步，所述反相溶剂为水、丙酮加水混合物或酮加乙醇混合物。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明将离子液体预处理与温和碱处理相结合使原料主要组分实现清洁高效分离。

2.本发明方法使纤维素的酶解率大大提高，达到了99.2%。

3.本发明方法中酶解率大幅提高的原因主要有木质素和半纤维素的去除、样品比表面积的增加以及纤维素的晶型由纤维素Ⅰ转化为纤维素Ⅱ。

4.本发明方法同时还能得到59.3%的半纤维素组分和74.4%的木质素组分。本发明方法在处理木质纤维素的过程中半纤维素和木质素的大分子结构没有发生降解，分离得到半纤维素和木质素组分具有高纯度、高分子量等特性，是制备高附加值产品的理想原料。

附图说明

图1为本发明的提高酶水解率的木质纤维素预处理方法的流程示意图；

图2为本发明中的产物及对比例的组分含量分布图；

图3为本发明中的产物及对比例的酶水解转化率的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本实施例中的木粉原料为速生三倍体毛白杨，三年生，采自山东省。原料粉碎后过0.8mm的筛网，用体积比（2:1）的苯醇索氏抽提6小时，取脱蜡后80-100目干燥样品待用。离子液体[C₂mim]OAc购自兰州化学物理研究所，纯度≥98.5%。纤维素酶（Celluclast 1.5L）和β-葡萄糖苷酶从Sigma Aldrich购买得到。其他所用试剂都为分析纯或试剂纯，直接购买使用，未进行进一步的纯化。

图1为本发明的提高酶水解率的木质纤维素预处理方法的流程示意图。如图1所示，一种提高酶水解率的木质纤维素预处理方法，包括如下步骤：称取5g80-100目脱蜡木粉（样品A）和100g[C₂mim]OAc（1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐）置于250mL三口烧瓶中，随之将三口烧瓶置于IKA加热器（IKA基本型套装,德国）在110℃下进行油浴加热12小时，搅拌速率为600转/分钟，通氮气保护。待样品A完全溶解后，将热的离子液体溶液转移到1000mL去离子水(当然，也可采用其他的反相溶剂)中进行再生，并持续快速搅拌1小时。通过硝酸纤维素滤膜(孔径为0.45μm，)过滤，并用去离子水反复冲洗以去除残留的离子液体，最后冷冻干燥得到再生木粉(样品C)。离子液体处理后得到的样品C接着用1M的NaOH溶液在75℃下处理3小时，样品C与NaOH溶液的固液比为1∶15(g/mL)，去除木质素组分(RAL)和半纤维素组分(RAH)，得到碱处理后的残渣(样品D)。对碱处理后的残渣(样品D)进行酶水解，得到葡萄糖。过滤得到木质素组分(RCEL)。其中酶水解在50mL的锥形烧瓶中进行，具体酶解条件为：称取0.2g样品D至于烧瓶中，添加pH值为4.8的50mM的醋酸钠缓冲溶液10mL，接着加入40μL四环类抗生素和20μL环己酰亚胺，最后加入35FPU/g的纤维素酶和37.5IU/g的β-葡萄糖苷酶，将烧瓶置于空气摇床中开始酶解，摇床设置为50℃、150转/分钟，酶解48小时。本发明中的温和碱处理及酶水解过程还可采用除上述方法的其他现有技术。且其中未述及的反应条件均可自现有技术中得到。

将样品A进行行星球磨8小时后的球磨木粉采用与本发明的实施例相同的温和碱处理条件下直接进行碱处理，得到的木质素组分(AL)和半纤维素组分(AH)。样品A直接经温和碱处理后的残渣(样品B)来分析本发明的优点。

组分分析

对样品A、样品B、样品C和样品D的组分含量依据美国能源实验室(NREL)的标准方法进行测定，即先用浓硫酸接着用稀硫酸进行两步水解。为减少误差，测定过程重复两次。水解后单糖的含量由高效阴离子交换离子色谱进行分析(ICS 3000，戴安，美国)，配备脉冲安培检测器(CAD)、AS50自动进样器、糖分析柱(PA-20，4×250mm，戴安)及保护柱(PA-20，3×30mm，戴安)。纤维素的含量由测定葡萄糖的量乘以系数0.9得到，半纤维素的含量是木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖的总和，其中木糖和阿拉伯糖的换算系数为0.88，半乳糖和甘露糖的换算系数为0.9。酸不溶木质素的含量由坩埚恒重计算得到，酸溶木质素的含量由紫外分光光度计在240nm的吸光度计算，消光系数选用25L/gcm。分析结果见图2，图2为本发明的产物及对比例的组分含量分布图。如图2可见，原料杨木木屑经碱处理后其纤维素的含量由41.9%增加到51.3%，木质素的含量由23%增加到27.6%，而半纤维素的含量则由16.7%降低为10.1%。对于离子液体再生后的样品C，其纤维素和木质素的含量与未处理原料的含量相近，半纤维素含量则由16.7%降低到12.9%。这些结果表明，碱处理和离子液体预处理过程中去半纤维素的能力比去木质素的能力要强。离子液体预处理后原料样品的回收率为90.9%，约18.0%的木质素（ILL）和29.0%的半纤维素（ILH）溶解在离子液体/水体系中，纤维素的回收率达到了95.0%。温和碱处理过程中大部分半纤维素和木质素都被去除，两者残留量分别为3.5%和15.1%，而得到残渣样品D中纤维素的含量则高达61.1%。在这一处理过程中，得到木质素组分（RAL）和半纤维素组分（RAH）的量分别为31.5%和59.3%，仍有7.0%的木质素组分（RSAL）和11.0%的半纤维素组分（RSAH）溶解在纯化过程的滤液中。

图3为本发明的产物及对比例的酶水解转化率的曲线图。图中的A、B、C、D分别表示上述的样品A、样品B、样品C和样品D。如图3可见，经48小时的酶水解后，本发明的实施例中的样品D的酶解率达到99.2%。另外过滤后可得到纯度较高的木质素。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims

1.提高酶水解率的木质纤维素预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将木粉原料粉碎后过0.8mm的筛网，用体积比2:1的苯醇索氏抽提6小时，得到脱蜡后80-100目干燥的木粉，将脱蜡后的木粉溶解于离子液体中，得离子液体溶液，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体，所述木粉与离子液体的质量比为1：19；所述木粉在离子液体中溶解的温度为110℃，所述木粉在离子液体中溶解时采用油浴加热，并通氮气保护；

b.将上述离子液体溶液转移到反相溶剂中进行再生，并持续快速搅拌1小时，所述反相溶剂为水；

c.将经过反相溶剂再生后的离子液体溶液通过硝酸纤维素滤膜进行过滤，并冷冻干燥后得到再生木粉；

d.将步骤c所得再生木粉进行温和碱处理，即所述再生木粉用1M的NaOH溶液在75℃下处理3小时，再生木粉与NaOH溶液的固液比为1：15，单位为g/mL；去除木质素组分和半纤维素组分得碱处理后的残渣；

e.对碱处理后的残渣进行酶水解得到葡萄糖。