CN105255966A - 一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，属于生物质利用领域。微晶纤维素与阴离子咪唑离子液按照1:10～1:20的固液质量比混合，在80～100℃下磁力搅拌一定时间至微晶纤维素完全溶解，随后加水溶解，冷却后过滤，滤渣洗涤干燥后得到再生微晶纤维素，再加入到以醋酸钠为缓冲液的纤维素酶液中，在40～60℃下摇床反应12～24h，获得以还原糖为主的溶液。再取一定量的再生纤维素按比例与一定浓度的稀硫酸混合，在140～180℃下反应60～120min后离心洗涤过滤后获得以还原糖为主的溶液。本发明能显著提高微晶纤维素的还原糖水解产率，包括酶水解产率和酸水解产率，除此之外，还具体可再生，低能耗，低成本，操作简单，环境友好等特点。

Description

一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法

技术领域

本发明属于生物质利用领域，具体涉及一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法。

背景技术

进入21世纪以后，经济飞速发展的同时人口也不断增长，能源的消耗也日益增加，不可再生的石化资源正在面临枯竭，并且造成的环境问题也越来越严重，已经严重制约了全世界可持续发展，开发绿色经济的可再生资源已是当务之急。生物质是一种储量丰富，由太阳能自然转化的可再生资源。木质纤维素是生物质的主要组成部分，广泛存在于小麦秸秆，水稻秸秆，甘蔗渣等农作物中，产量巨大，并且易获得，价格低廉，成为替代石化资源的最佳资源，另外通过生物质获得还原糖也成为全世界研究的重点领域。

木质纤维素主要由纤维素，半纤维素及木质素三种成分组成，其中，纤维素是由D-吡喃葡萄糖单元以β-1,4-糖苷键连接而成的线性高聚物。正是由于纤维素这样复杂的结构，导致纤维素难溶于水等其他常规有机溶剂中，只能溶于碱性或高浓度的无机酸溶液中。纤维素的化学性质同样比较稳定，在特定条件下纤维素才能被氧化、酯化和醚化，在一定程度上也能被酸和酶降解。正是由于木质纤维素这种复杂的结构，导致其资源利用率低，而通过有效的预处理破坏其结构成为提高其利用率的关键因素。

离子液体，又称室温离子液体，是指由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的、在低于或室温下呈液态的溶融有机盐。与一般的有预处理剂相比，离子液具有许多独特的优点：溶解能力强，对有机及无机化合物都有良好的溶解性能；液体状态温度范围宽，在一定的温度范围内都能以液体形式存在；蒸汽压极低，离子液体的挥发性能很弱，几乎不会挥发，因此可在正常大气压下或者真快状态下使用；化学稳定性高，离子液体的化学性质不是很活泼，不易燃烧，难被氧化；离子液体由于其化学性质不活泼，且具有可回收性，对环境污染极低；具有可设计性，可通过调节阴阳离子组成来改变本身的物理及化学性质。由于这些特点，使其能有效地破坏纤维素晶体结构，降低其结晶度，更加容易水解获得还原糖。

纤维素酶是降解纤维素成为葡萄糖单体的酶，一般不是单种酶而是由多种酶混合组成的具有协同作用的复杂酶系。根据其中各种酶功能的差异，现已确定纤维素酶含有三种主要组分：葡萄糖内切酶，葡萄糖外切酶，β-葡萄糖苷酶。纤维素酶通过协调各个组分的功能运作来降解复杂结构的纤维素，得到还原糖。研究人员通过对纤维素酶结构的研究发现酶分子普遍具有类似的楔形结构，它是由催化结构域（CD）、纤维素结合结构域（CBD）和连接桥三个部分组成的。纤维素酶的主要成分是糖蛋白，纤维素酶糖基化的目的不是为了提高其水解纤维素的效率，而是用来防止自身蛋白质降解的，有效地提高了纤维素酶的稳定性。

稀酸水解法通常是指用10%以内的硫酸或盐酸等无机酸为催化剂将纤维素水解为还原糖的方法。水解反应温度一般在100-240℃，压力大于液体饱和蒸汽压，一般在10个大气压以上（KorbitzW,1999）。烯酸水解法目前技术已经比较成熟，此方法能够有效提高纤维素的水解产率，在一定温度条件下，烯酸水解产生还原糖以后还原糖可以继续分解产生次级产物，如乙酰丙酸和5-羟甲基糠醛。

稀酸水解工艺较简单，是木质纤维素原料生产酒精的最古老的方法，也是较为成熟的方法。稀酸水解稀酸水解法多使用浓度为0.5～8％的硫酸，在140～180℃下水解，其工艺多采用两步法。第一步稀酸水解在较低的温度下进行，半纤维素非常容易被水解得到五碳糖产物，分离出液体(酸液和糖液)。第二步酸水解是在较高的温度下进行，重新加酸水解残留固体(主要为纤维素结晶结构)，得到水解产物葡萄糖。但稀酸预处理后产生发酵抑制物，腐蚀金属设备，必须在糖发酵前将酸中和，且反应时间长，木质素脱除效果差，能耗大，需增加后续酸处理工艺。因此，对纤维素进行预处理，使酸水解更易进行，提高水解产率，缩短水解时间，降低能耗，将设备损伤减到最小。

发明内容

本发明的目的是一种提供利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法。

本发明提出的利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，首先选用阴离子咪唑离子液1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Bmim]OAc）对微晶纤维素进行预处理，经过溶解，过滤，干燥等步骤获得再生微晶纤维素，然后在一定条件下对再生纤维素进行酶水解和酸水解，最后分别测定两种方法的还原糖产率，并分别与未经处理的微晶纤维素还原糖产率进行对比，从而研究离子液预处理对微晶纤维素还原糖产率的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，按照下述步骤进行：

（1）以离子液为预处理剂，微晶纤维素与预处理剂按照1:10～1:20的固液质量比混合，在80℃～100℃下磁力搅拌20～30min，微晶纤维素完全溶解于离子液中；

（2）在溶解有微晶纤维素的离子液中按照离子液体体积的4～10倍加入蒸馏水，离子液溶解于蒸馏水，并有沉淀产生，沉淀经过滤，洗涤3～5次后冷冻干燥，得到再生微晶纤维素；

（3）称取一定量的再生微晶纤维素，加入醋酸钠缓冲液，再生微晶纤维素的质量与纤维素酶液体积比例为1:125～1:250（g/mL），在40～50℃，100～250r/min下摇床反应12～24h，获得以还原糖为主要成分的溶液；

（4）称取一定量的再生微晶纤维素，与0.5%～5%质量浓度的稀硫酸按照1:10～1:20（g/mL）的比例混合后在140～180℃下反应90～120min，反应结束后将水解液在5000～8000r/min下离心10～15min，取上清液，获得以还原糖为主要成分的溶液；酶解反应完成后，分别测定酶水解和酸水解获得溶液的还原糖量，分别计算出两种水解方式的最终还原糖产率。

本发明中，步骤（1）用作预处理剂的离子液为阴离子咪唑离子液1-丁基3-甲基咪唑氯盐（[Bmim]Cl）。

本发明中，步骤（2）沉淀过滤所使用的方法是用布氏漏斗经过循环水真空泵抽滤，直至过滤完全。

本发明中，步骤（3）所选用的纤维素酶为绿色木酶。

本发明中，步骤（3）纤维素酶所用的缓冲液为0.1mol/L，pH4.8的醋酸钠缓冲液。

本发明中，步骤（3）酶水解反应结束后应将反应溶液放入碎冰中等低温环境下终止反应。

本发明中，离子液和稀硫酸的反应容器为各种型号的高压反应釜，包括压力溶弹。

本发明中，获得的水解液中残留酸用石灰处理，降低生产成本，防止二次污染。

本发明具有如下优点：

（1）与传统的预处理方式相比，本发明中所使用的1丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液具有溶解性强，可设计性强，溶解能力强，化学稳定性好，环境友好并且具有可回收性，符合可持续绿色化学发展的要求。

（2）本发明中1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液具有可回收性，回收率可以达到80%，并且回收后的离子液保持原有性能，不影响二次使用。

（3）与公开的其他离子液相比较，本发明中1-丁基-3甲基咪唑离子液的极性低，其拓扑分子极性表面积（TPSA）为8.8，在使用过程中极易洗脱。

（4）本发明中离子液体预处理后的再生微晶纤维素的得率最高达到92%，相比于传统的预处理方式，得率显著提高。

（5）本发明利用1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液作为预处理剂处理微晶纤维素，能够有效破坏纤维素晶体结构，降低微晶纤维素结晶度，显著提高了纤维素酶水解和酸水解的还原糖水解率，酶水解率最高达到原来的2.76倍，酸水解率最高达到原来的1.5倍。

具体实施方式

通过实施例来说明本发明，但本发明不仅限于实施例。

实施例1：

（1）微晶纤维素与预处理剂按照1:10的固液质量比，将微晶纤维素缓慢加入到离子液体中，80℃水浴加热，纤维素逐渐溶解到离子液体中，经过20min得到透明溶液。将所得纤维素溶液转移至250mL三角瓶中,向三角瓶中加150mL去离子水并将三角瓶置于震荡培养箱中一段时间,由于纤维素不溶于离子液体水溶液，溶解的纤维素便可析出,抽滤后得到的沉淀物，用原溶液3～5倍的水冲洗沉淀物以除去残余离子液体,将得到的沉淀物冷冻干燥千燥后获得再生微晶纤维素。

（2）取50ml纤维素酶（1g/L）溶液与再生微晶纤维素纤维素0.2g移入150ml锥形瓶中，放入恒温摇床中，控制温度为40℃，进行酶水解反应，在24h水解后取出置于碎冰中终止反应，离心后取上层清液0.5ml，加入1.5mlDNS显色剂和1.5ml蒸馏水，沸水中煮沸15min显色，取出，冷却至室温，定容至20ml，放入分光光度计中测定还原糖的含量。最终测得还原糖得率为49.57%；准确称取烘干至恒重的再生微晶纤维素，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热60min，将反应釜中水解液全部转移到50mL离心管中，于8000r/min下离心10min，将上清液转移到100ml容量瓶中，离心所得沉淀用蒸馏水洗涤后再离心，所得上清液一并转移至容量瓶中，定容，混匀，作为还原糖待测液，测得还原糖得率为47.12%。

对照例1：

微晶纤维素不经过离子液预处理，直接进行酶水解和酸水解，步骤同实施例1中的（2）相同，测得酶水解还原糖得率为25.76%，酸水解还原糖得率为27.68%

实施例2：

（1）微晶纤维素与预处理剂按照1:10的固液质量比，将微晶纤维素缓慢加入到离子液体中，80℃水浴加热，纤维素逐渐溶解到离子液体中，经过20min得到透明溶液。将所得纤维素溶液转移至250mL三角瓶中,向三角瓶中加150mL去离子水并将三角瓶置于震荡培养箱中一段时间,由于纤维素不溶于离子液体水溶液，溶解的纤维素便可析出,抽滤后得到的沉淀物，用原溶液3～5倍的水冲洗沉淀物以除去残余离子液体,将得到的沉淀物冷冻干燥千燥后获得再生微晶纤维素。

（2）取50ml纤维素酶（1g/L）溶液与再生微晶纤维素纤维素0.4g移入150ml锥形瓶中，放入恒温摇床中，控制温度为50℃，进行酶水解反应，在24h水解后取出置于碎冰中终止反应，离心后取上层清液0.5ml，加入1.5mlDNS显色剂和1.5ml蒸馏水，沸水中煮沸15min显色，取出，冷却至室温，定容至20ml，放入分光光度计中测定还原糖的含量。最终测得还原糖得率为56.28%；准确称取烘干至恒重的再生微晶纤维素，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90min，将反应釜中水解液全部转移到50mL离心管中，于8000r/min下离心10min，将上清液转移到100ml容量瓶中，离心所得沉淀用蒸馏水洗涤后再离心，所得上清液一并转移至容量瓶中，定容，混匀，作为还原糖待测液，测得还原糖得率为50.46%。

对照例2：

微晶纤维素不经过离子液预处理，直接进行酶水解和酸水解，步骤同实施例1中的（2）相同，测得酶水解还原糖得率为35.54%，酸水解还原糖得率为39.33%

实施例3：

（1）微晶纤维素与预处理剂按照1:20的固液质量比，将微晶纤维素缓慢加入到离子液体中，100℃水浴加热，纤维素逐渐溶解到离子液体中，经过30min得到透明溶液。将所得纤维素溶液转移至250mL三角瓶中,向三角瓶中加150mL去离子水并将三角瓶置于震荡培养箱中一段时间,由于纤维素不溶于离子液体水溶液，溶解的纤维素便可析出,抽滤后得到的沉淀物，用原溶液3～5倍的水冲洗沉淀物以除去残余离子液体,将得到的沉淀物冷冻干燥千燥后获得再生微晶纤维素。

（2）取50ml纤维素酶（1g/L）溶液与再生微晶纤维素纤维素0.2g移入150ml锥形瓶中，放入恒温摇床中，控制温度为40℃，进行酶水解反应，在24h水解后取出置于碎冰中终止反应，离心后取上层清液0.5ml，加入1.5mlDNS显色剂和1.5ml蒸馏水，沸水中煮沸15min显色，取出，冷却至室温，定容至20ml，放入分光光度计中测定还原糖的含量。最终测得还原糖得率为63.73%；准确称取烘干至恒重的再生微晶纤维素，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热60min，将反应釜中水解液全部转移到50mL离心管中，于8000r/min下离心10min，将上清液转移到100ml容量瓶中，离心所得沉淀用蒸馏水洗涤后再离心，所得上清液一并转移至容量瓶中，定容，混匀，作为还原糖待测液，测得还原糖得率为53.12%。

对照例3：

对照例3同对照例1

实施例4：

（1）微晶纤维素与预处理剂按照1:20的固液质量比，将微晶纤维素缓慢加入到离子液体中，100℃水浴加热，纤维素逐渐溶解到离子液体中，经过30min得到透明溶液。将所得纤维素溶液转移至250mL三角瓶中,向三角瓶中加150mL去离子水并将三角瓶置于震荡培养箱中一段时间,由于纤维素不溶于离子液体水溶液，溶解的纤维素便可析出,抽滤后得到的沉淀物，用原溶液3～5倍的水冲洗沉淀物以除去残余离子液体,将得到的沉淀物冷冻干燥千燥后获得再生微晶纤维素。

（2）取50ml纤维素酶（1g/L）溶液与再生微晶纤维素纤维素0.4g移入150ml锥形瓶中，放入恒温摇床中，控制温度为50℃，进行酶水解反应，在24h水解后取出置于碎冰中终止反应，离心后取上层清液0.5ml，加入1.5mlDNS显色剂和1.5ml蒸馏水，沸水中煮沸15min显色，取出，冷却至室温，定容至20ml，放入分光光度计中测定还原糖的含量。最终测得还原糖得率为71.12%；准确称取烘干至恒重的再生微晶纤维素，与2%的稀硫酸按照20:1（mL/g）充分混合后转移至反应釜中，160℃加热90min，将反应釜中水解液全部转移到50mL离心管中，于8000r/min下离心10min，将上清液转移到100ml容量瓶中，离心所得沉淀用蒸馏水洗涤后再离心，所得上清液一并转移至容量瓶中，定容，混匀，作为还原糖待测液，测得还原糖得率为59.29%。

对照例4：

对照例4同对照例2

通过以上实例可以看出利用离子液[Bmim]Cl预处理提高微晶纤维素，能够显著提高微晶纤维素的酶水解和酸水解产率。

Claims (6)

1.一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，其特征在于按照下述步骤进行：

（1）以离子液为预处理剂，微晶纤维素与预处理剂按照1:10～1:20的固液质量比混合，在80℃～100℃下磁力搅拌20～30min，微晶纤维素完全溶解于离子液中；

（2）在溶解有微晶纤维素的离子液中按照离子液体体积的4～10倍加入蒸馏水，离子液溶解于蒸馏水，并有沉淀产生，沉淀经过滤，洗涤3～5次后冷冻干燥，得到再生微晶纤维素；

（3）称取一定量的再生微晶纤维素，加入醋酸钠缓冲液，再生微晶纤维素的质量与缓冲液体积比例为1:250～1:300（g/mL），再按照纤维素酶质量与缓冲液体积为1:1000～1:100（g/mL）的比例加入纤维素酶，在40～60℃，100～250r/min下摇床反应12～24h，获得以还原糖为主要成分的溶液；称取一定量的再生微晶纤维素，与0.5%～5%质量浓度的稀硫酸按照1:10～1:20（g/mL）的比例混合后在140～180℃下反应90～120min，反应结束后将水解液在5000～8000r/min下离心10～15min，取上清液，获得以还原糖为主要成分的溶液；

（4）酶解反应完成后，分别测定酶水解和酸水解获得溶液的还原糖量，分别计算出两种水解方式的最终还原糖产率。

2.根据权利要求1所述的一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，其特征在于步骤（1）用作预处理剂的离子液为阴离子咪唑离子液1-丁基3-甲基咪唑氯盐（[Bmim]Cl）。

3.根据权利要求1所述的一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，其特征在于步骤（2）沉淀过滤所使用的方法是用布氏漏斗经过循环水真空泵抽滤，直至过滤完全。

4.根据权利要求1所述的一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，其特征在于步骤（3）所选用的纤维素酶为绿色木酶。

5.根据权利要求1所述的一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，其特征在于步骤（3）纤维素酶所用的缓冲液为0.1mol/L，pH4.8的醋酸钠缓冲液。

6.根据权利要求1所述的一种利用离子液预处理提高微晶纤维素水解产率的方法，其特征在于步骤（3）酶水解反应结束后应将反应溶液放入碎冰中等低温环境下终止反应。