CN107904266B - 一种高效绿色提高木质纤维素酶解糖化效率的预处理方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本方法是利用NADES预处理提高木质纤维素酶解糖化效率。用氯化胆碱/柠檬酸/丙三醇按一定比例混合再加入一定量的蒸馏水对木质纤维素原料进行处理，去除部分木质素、半纤维素，并在一定程度上破坏木质纤维素的致密结构。本发明能减少木质纤维素中木质素、半纤维素组分所占比例，并使其表面严重破坏，提高木质纤维素的糖化效率。本预处理方法具有成本低廉、绿色环保、设备要求低、操作简单等优点，可大幅提升木质纤维素的酶解糖化效率。

Description

一种高效绿色提高木质纤维素酶解糖化效率的预处理方法及 应用
技术领域
本发明涉及木质纤维素制取生物乙醇预处理技术领域，具体来讲是一种天然深度共熔溶剂（NADES）氯化胆碱/柠檬酸/丙三醇预处理提高木质纤维素酶解糖化效率的方法。
背景技术
在世界对能源的强烈需求及传统化石能源日益枯竭的背景下，可再生的生物能源越来越受到人们的重视。木质纤维素是地球上储量最大的可再生资源，将其作为原料生产燃料乙醇被认为是解决能源危机的有效途径之一。木质纤维素转化为燃料乙醇主要包括预处理、酶解糖化、发酵三个过程。预处理是为了去除或部分去除木质素，提高原料基质的多孔性，破坏木质素的结构，同时打断木质素与其他生物质之间的连接键，重组木质纤维素中的木质素等；酶解糖化就是将包含纤维素和半纤维素在内的多糖水解为可发酵糖；而发酵过程是利用微生物将糖转化为乙醇。木质纤维素的预处理就是通过物理、化学或者生物等方法破坏木质纤维素的顽抗结构，从而大幅度提高酶解糖化效率。预处理对于上游的粉碎工艺以及下游的发酵、分离、提纯等工艺过程都有很大影响，因此，预处理阶段是整个木质纤维素制取生物燃料乙醇中最关键的步骤。
常用的预处理技术有蒸汽爆破、酸、碱以及生物处理等。蒸汽爆破法虽然酶解效率较高，但其对设备要求高、能耗高、投入大，制约了规模化生产。酸预处理对木质素脱除效果不明显，增加了后续处理的处理难度，酸溶液对预处理装置具有的腐蚀性也是制约其工业化的重要原因之一；碱预处理成本较低、操作安全，但需对废水和残余物进行回收处理。生物法则主要采用白腐菌等真菌预处理，处理条件温和，但预处理时间过长，效率较低，不适于工业化应用。由于常用预处理工艺的弊端，因此绿色高效的预处理技术是本领域的重要发展方向，采用离子液体、深度共熔溶剂等绿色溶剂对木质纤维素进行预处理成为了研究热点。离子液体预处理可以去除部分木质素和半纤维素，显著降低纤维素结晶度，增加比表面积，但由于离子液体价格高昂，制约了其规模化应用。
深度共熔溶剂（Deep eutectic solvent）简称DES，它是由2种或2种以上的有机溶剂组成的比各自熔点更低的混合物，这就使得混合物可在更低的温度熔化，为混合溶剂的形成降低了能耗，具有价格低廉、易人工合成、无毒、较高的生物可降解性等优点。由天然有机物组成的DES就称为NADES（natural deep eutectic solvent），NADES是一种主要由初级代谢产物、各种氨基酸和自然界中广泛存在的糖类物质等组成的深度共熔溶剂。与离子液体相似，NADES也是一种绿色溶剂，但更加天然、易得且经济实惠，引起了研究者们的极大兴趣。氯化胆碱是一种水溶性维生素产品，是一种常见的NADES组分，能与尿素、乳酸等氢键供给体按一定的比例混合形成NADES。近年来有研究人员将NADES应用于木质纤维素预处理，如Kumar AK等人（Kumar AKet al. Natural deep eutectic solvent mediatedpretreatment of rice straw: bioanalytical characterization of ligninextractand enzymatic hydrolysis of pretreated biomass residue. BioresourseTechnology.2016.23:9265-9275.）以氯化胆碱/乳酸作为NADES体系预处理水稻秸秆，酶解糖化效率只有36%；Lynam JG等人 （Lynam JG et al. Deep eutectic solvents' abilityto solubilize lignin, cellulose, and hemicellulose; thermal stability; anddensity. Bioresourse Technology.2017.238: 684-689.）采用5种DES对松木进行预处理后，可以选择性溶解其中的木质素，使酶解糖化效率有所提升。这些研究表明，NADES用于预处理木质纤维素展现出了一定的效果，但酶解糖化效率仍然偏低。为进一步提高转化效率，有人采用两步NADES预处理工艺，如Hou X D等人（Hou X D et al. Significantlyenhanced enzymatic hydrolysis of rice straw via a high-performance two-stagedeep eutectic solvents synergistic pretreatment.BioresourseTechnology.2017.238:139-146.），先用氯化胆碱/草酸组成的NADES体系预处理水稻秸秆，再用氯化胆碱/尿素组成的NADES进行第二步预处理，酶解糖化效率达到90.2%。采用两步法对木质纤维素进行预处理后，酶解糖化效率显著提高，但操作过程复杂，导致处理成本居高不下。因此，基于NADES的木质纤维素预处理技术仍然存在不足，亟需开发更高效的方法以满足规模化应用。
针对目前NADES预处理技术的不足，本发明合成了一种成本低廉、绿色环保的NADES体系，应用于木质纤维素的预处理，具有酶解糖化效率高、设备要求低、操作简单等优点。
发明内容
为了解决现有木质纤维素预处理技术存在的问题，本发明提供了一种氯化胆碱/柠檬酸/丙三醇组成的NADES体系，并应用于木质纤维素的预处理，大幅提升了酶解糖化效率。
本发明的技术方案为：
（1）木质纤维素干燥、粉碎，控制粒径为180-425 μm；
（2）柠檬酸与氯化胆碱和丙三醇按一定的摩尔比混合，放于90-130 ℃摇床中，待形成一种完全融合无色透明的液体拿出备用；
（3）按10%（W/W）含量加入木质纤维素，加入上述（2）中的共熔溶剂，加入5%（W/W）的蒸馏水并于90-130 ℃摇床中振动混匀预处理2-4 h后，过滤并使用蒸馏水清洗滤渣，直至清洗液pH呈中性，将清洗后的滤渣置于50-60 ℃烘干，获得NADES处理后的木质纤维素样品；
（4）将预处理后的木质纤维素样品按10-30 mg/mL的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0.1mol/L，pH为4.8）混合，再加入10-40 FPU/g底物纤维素酶，在40-60 ℃、100-200 rpm/min条件下酶解24-72 h后，测定酶解糖化效率。
本发明提供的预处理方法的优势在于：
（1）氯化胆碱/柠檬酸/丙三醇天然易得，绿色环保，对设备要求低，操作简单、成本低廉。去除大部分木质素组分，降低木质纤维素结晶度，增大纤维素酶的可及表面，使得原料表面被严重破坏，提高了木质纤维素的糖化效率；
（2）该方法预处理后的木质纤维素能够大幅提高酶解糖化效率，还原糖转化率从32.6%最高可提高到91.3%。
附图说明:
图1：木质纤维素预处理前后组分变化
图2：木质纤维素预处理前后的酶解效果
图3：木质纤维素预处理前后表面结构变化
具体实施方式：
下面结合附图和水稻秸秆研究实施例进一步说明本发明，但不作为对本发明的限定。
实施例1 ：
（
Figure 722732DEST_PATH_IMAGE001
）水稻秸秆干燥、粉碎，控制粒径为180-425 μm；
（
Figure 750731DEST_PATH_IMAGE002
）柠檬酸与氯化胆碱、丙三醇按0.5：1：1.5的摩尔比混合，放于100 ℃摇床中，待形成一种完全融合无色透明的液体拿出备用；
（
Figure 932313DEST_PATH_IMAGE003
）按10%（W/W）含量加入水稻秸秆，加入上述（
Figure 184303DEST_PATH_IMAGE004
）中的共熔溶剂，加入5%（W/W）的蒸馏水并于130 ℃摇床中振动混匀预处理4 h后，过滤并使用蒸馏水清洗滤渣，直至清洗液pH呈中性，将清洗后的滤渣置于55 ℃烘干，获得NADES处理后的水稻秸秆样品；
（
Figure 84126DEST_PATH_IMAGE005
）将经NADES预处理后的水稻秸秆样品按25 mg/mL的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0.1 mol/L，pH为4.8）混合，再加入12 FPU/g底物纤维素酶，在50 ℃、100 rpm/min条件下酶解72 h后，测定酶解糖化效率。
通过本实施例的实施，处理后的水稻秸秆中木质素与半纤维素含量显著降低（附图1），纤维素含量提升到61.3%，酶解还原糖浓度从7.5 g/L提高到21 g/L（附图2），还原糖转化率从32.6%提高到91.3%，是原来的2.8倍，本发明预处理后水稻秸秆的酶解效果得到大幅提高。结合扫描电镜图像（附图3）所示，未处理水稻秸秆（a、b）呈直杆状且杆径较粗，表面平整光滑；而经本实施例预处理后的水稻秸秆（c、d）表面被严重破坏，增加了纤维素的裸露量，大大增加了酶的可及表面，提高了水稻秸秆的酶解糖化效果。
实施例2：
（
Figure 650237DEST_PATH_IMAGE006
）水稻秸秆干燥、粉碎，控制粒径为180-425 μm；
（
Figure 263489DEST_PATH_IMAGE004
）柠檬酸与氯化胆碱、丙三醇按1：1：1的摩尔比混合，放于100 ℃摇床中，待形成一种完全融合无色透明的液体拿出备用；
（
Figure 624064DEST_PATH_IMAGE007
）按10%（W/W）含量加入水稻秸秆，加入上述（
Figure 11183DEST_PATH_IMAGE004
）中的共熔溶剂，加入5%（W/W）的蒸馏水并于130 ℃摇床中振动混匀预处理4 h后，过滤并使用蒸馏水清洗滤渣，直至清洗液pH呈中性，将清洗后的滤渣置于55 ℃烘干，获得NADES处理后的水稻秸秆样品；
（
Figure 443301DEST_PATH_IMAGE008
）将经NADES预处理后的水稻秸秆样品按25 mg/mL的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0.1 mol/L，pH为4.8）混合，再加入12 FPU/g底物纤维素酶，在50 ℃、100 rpm/min条件下酶解72 h后，测定酶解糖化效率。
经本实施例预处理后的水稻秸秆酶解72 h后，使还原糖产量从7.5 g/L提高到18.7 g/L（附图2），还原糖转化率从32.6%提高到81.4%，是原来的2.5倍。
实施例3：
（a）水稻秸秆干燥、粉碎，控制粒径为180-425 μm；
（
Figure 333897DEST_PATH_IMAGE009
）柠檬酸与氯化胆碱、丙三醇按0.5：1：1.5的摩尔比混合，放于100 ℃摇床中，待形成一种完全融合无色透明的液体拿出备用；
（c）按10%（W/W）含量加入水稻秸秆，加入上述（
Figure 130951DEST_PATH_IMAGE004
）中的共熔溶剂，加入5%（W/W）的蒸馏水并于130 ℃摇床中振动混匀预处理3 h后，过滤并使用蒸馏水清洗滤渣，直至清洗液pH呈中性，将清洗后的滤渣置于55 ℃烘干，获得NADES处理后的水稻秸秆样品；
（
Figure 739787DEST_PATH_IMAGE010
）将经NADES预处理后的水稻秸秆样品按25 mg/mL的浓度与柠檬酸盐缓冲液（0.1 mol/L，pH为4.8）混合，再加入12 FPU/g底物纤维素酶，在50 ℃、100 rpm/min条件下酶解72 h后，测定酶解糖化效率。
经本实施例预处理后的水稻秸秆酶解72 h后，还原糖产量从7.5 g/L提高到17 g/L（附图2），还原糖转化率从32.6%提高到83.2%，是原来的2.55倍。

Claims (1)

1.一种提高木质纤维素糖化效果的预处理方法，其特征在于在100℃条件下将氯化胆碱、柠檬酸和丙三醇按1:0.5:1.5的摩尔比例充分混合获得NADES，并在获得的NADES当中加入5％(W/W)的蒸馏水和10％(W/W)的木质纤维素，在振荡条件下于130℃预处理4h，完成木质纤维素的预处理。
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