CN108660171A

CN108660171A - 一种高效绿色预处理农林废弃物的方法

Info

Publication number: CN108660171A
Application number: CN201810595264.4A
Authority: CN
Inventors: 李文志; 安胜欣; 张听伟; 晋乐乐
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2018-10-16

Abstract

本发明属于生物质资源领域，尤其涉及一种高效绿色预处理农林废弃物的方法，该方法包括以下步骤：a)农林废弃物和酸性助溶剂的水溶液混合反应，得到反应液和固渣；所述农林废弃物中含有半纤维素、纤维素和木质素；所述酸性助溶剂具有磺酸基团和疏水基团；b)降低所述反应液中的酸性助溶剂浓度，得到木质素沉淀和含木糖酸液；所述固渣在纤维素酶存在下进行水解，得到葡萄糖。本发明使用酸性助溶剂处理农林废弃物，在比较温和的反应条件下即可脱除农林废弃物中的木质素，克服了传统处理方法高能耗、反应苛刻、糖降解等缺点，可降低农林废弃物的处理成本，提高葡萄糖和木糖的收率。

Description

一种高效绿色预处理农林废弃物的方法

技术领域

本发明属于生物质资源领域，尤其涉及一种高效绿色预处理农林废弃物的方法。

背景技术

由于化石燃料存储的有限性大量使用化石燃料带来的各种环境、经济及政治问题，使得寻找化石燃料的替代品以及发展可再生能源成为全球能源的重要发展方向。生物质能源，由于其可再生性和环保性等优点成为人们应对能源安全和气候变化双重条件的重要手段。农林废弃物中含有丰富的纤维素和半纤维素等可多种可利用的物质，是重要的生物质资源，利用农林废弃物做能源物质是可再生能源领域的研究热点之一。

传统的农林废弃物的利用主要为液化转化液体燃料、气化发电、固化成型燃料等方面。但是如何降低成本、提高转化效率以及改进转化技术等问题成为阻碍农林废弃物能源转化的绊脚石。农林废弃物中含有丰富的碳水化合物(纤维素和半纤维素)，经过一定处理后可以得到生物质单糖(主要是葡萄糖和木糖)。以生物质单糖分子为起始物，在合适的条件下可以转化成重要的平台化合物糠醛和乙酰丙酸。其中，糠醛是呋喃类化合物重要的前驱体，可以转化为糠醇、四氢呋喃等应用广泛的大宗化学品，而乙酰丙酸被美国能源部认定为十二种重要的平台化合物之一。另外，生物质单糖还可以为微生物发酵生产非粮食燃料乙醇提供碳源，同时也可以减缓对化石燃料的依赖。然而，所有的这些可能的前提为能够获取得到生物质单糖。

木质纤维素类生物质原料，比如农作物废弃物，主要有纤维素、半纤维素和木质素三部分构成。纤维素和半纤维素是由糖单元通过糖苷键连接而成的高分子聚合物，木质素是由大量的苯丙醇结构构成的芳香性高聚物，三者在一起形成一种非常牢固的纤维素-半纤维素-木质素网络结构，使得木质纤维素类生物质具有很强抵抗来自生物和非生物的侵害能力。尤其是木质素，其就像一个天然坚固的屏障，包裹着纤维素和半纤维素，阻碍纤维素酶对生物质碳水化合物的可及度，防止其被水解。另外，木质素可以非特异性地吸附纤维素酶，影响酶水解的效率。

因此，为了实现农林废弃物的高附加值转化，探究一种能在温和条件下高效脱除木质素，且单糖回收率较高的农林废弃物处理方法，是本领域技术人员亟待攻克的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效绿色预处理农林废弃物的方法，本发明提供的方法能够在比较温和的条件下有效脱除农林废弃物中的木质素，具有较高的葡萄糖和木糖收率。

本发明提供了一种农林废弃物的预处理方法，包括以下步骤：

a)农林废弃物和酸性助溶剂的水溶液混合反应，得到反应液和固渣；所述农林废弃物中含有半纤维素、纤维素和木质素；所述酸性助溶剂具有磺酸基团和疏水基团；

b)降低所述反应液中的酸性助溶剂浓度，得到木质素沉淀和含木糖酸液；所述固渣在纤维素酶存在下进行水解，得到葡萄糖。

优选的，步骤a)中，所述疏水基团包括烷基、烷基取代的苯基和α-烯基中的一种或多种。

优选的，步骤a)中，所述水溶液中酸性助溶剂的浓度为10～90wt％；所述农林废弃物和所述水溶液的用量比为1g：(6～15)mL。

优选的，步骤a)中，所述混合反应的温度为40～100℃；所述混合反应的时间为10～80min。

优选的，步骤b)中，降低所述反应液中酸性助溶剂浓度的方式为：

将所述反应液和稀释剂混合，所述稀释剂包括水、乙醇和乙醚中的一种或多种。

优选的，还包括：

c)对所述含木糖酸液加热，进行反应，得到反应液；提取所述反应液中的糠醛，得到残液；对所述残液中含有的酸性助溶剂进行回收。

优选的，步骤c)中，所述反应的温度为110～180℃；所述反应的时间为15～60min。

优选的，步骤c)中，反应体系中的酸性助溶剂浓度为2～12wt％。

优选的，步骤b)中，所述水解的温度为30～80℃；所述水解的时间为12～72h；所述水解的纤维素酶用量为3～30FPU。

优选的，所述农林废弃物包括玉米秸秆、玉米芯、水稻秸秆、高粱秸秆、甘蔗渣、小麦秸秆、微藻、薪柴、树皮、花生壳、树枝、木材卷皮和木材刨花中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明提供了一种高效绿色预处理农林废弃物的方法。本发明提供的方法包括以下步骤：a)农林废弃物和酸性助溶剂的水溶液混合反应，得到反应液和固渣；所述农林废弃物中含有半纤维素、纤维素和木质素；所述酸性助溶剂具有磺酸基团和疏水基团；b)降低所述反应液中的酸性助溶剂浓度，得到木质素沉淀和含木糖酸液；所述固渣在纤维素酶存在下进行水解，得到葡萄糖。本发明使用酸性助溶剂处理农林废弃物，在比较温和的反应条件下即可脱除农林废弃物中的木质素，克服了传统处理方法高能耗、反应苛刻、糖降解等缺点，可降低农林废弃物的处理成本，提高葡萄糖和木糖的收率。而且，反应液中的木质素容易分离，仅通过稀释反应液的方式就可沉淀出。此外，本发明中的含木糖酸液后续直接通过加热反应，就可使其中含有的木糖转成具有较高附加值的糠醛。另外，提取糠醛后剩余的残留酸液既可以作为助溶剂循环使用，也可以通过浓缩、重结晶等手段对其中含有的磺酸进行回收，从而避免酸液外排污染环境。实验结果表明，采用本发明提供方法处理农林废弃物时，木质素脱除率可达到85％以上，木糖收率可达到70％以上，在低酶条件下的葡萄糖收率可达到85％以上。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

b)降低所述反应液中的酸性助溶剂，得到含木糖酸液和木质素沉淀；所述固渣在纤维素酶存在下进行水解，得到葡萄糖。

在本发明中，首先将农林废弃物和酸性助溶剂的水溶液混合反应。其中，所述农林废弃物中含有半纤维素、纤维素和木质素；所述农林废弃物包括但不限于玉米秸秆、玉米芯、水稻秸秆、高粱秸秆、甘蔗渣、小麦秸秆、微藻、薪柴、树皮、花生壳、树枝、木材卷皮和木材刨花中的一种或多种。在本发明中，为了使所述农林废弃物可以更充分的与酸性助溶剂反应，优选先将所述农林废弃物粉碎成粉末，所述粉末粒径优选≤40目。在本发明中，所述酸性助溶剂的水溶液由酸性助溶剂和水混合制成，其中，所述酸性助溶剂具有磺酸基团和疏水基团；所述疏水基团包括烷基、烷基取代的苯基和α-烯基中的一种或多种。在本发明中，所述酸性助溶剂优选包括对甲基苯磺酸、乙基苯磺酸、十二烷基苯磺酸、十二烷基磺酸和α-烯基磺酸中的一种或多种；所述酸性助溶剂的水溶液中酸性助溶剂的浓度优选为10～90wt％，具体可为10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％或90wt％。在本发明中，酸性助溶剂的特点是一头含为酸性很强的磺酸基团(亲水端)，一头为疏水端。亲水端为酸性催化剂切断木质素与木质素之间的酯键以及木质素和半纤维素之间作用键，这样大量的木质素和半纤维素可以从农林废弃物中结分离出来，打破了其原本致密的结构，大量的纤维素暴露出来，增加了酶的可及性，提高后续酶解葡萄糖的收率。而且由于木质素是疏水性的，酸性助溶剂的疏水端依靠与木质素之间的疏水作用将木质素包裹起来，内部形成一个疏水球，外部依靠磺酸基团的亲水作用很好的把木质素溶解在反应液中。

在本发明中，农林废弃物和酸性助溶剂的水溶液混合反应的过程中，所述农林废弃物和所述水溶液的用量比为优选1g：(6～15)mL，具体可为1g：6mL、1g：8mL、1g：10mL、1g：12mL或1g：15mL；所述混合反应的温度优选为40～100℃，具体可为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃；所述混合反应的时间优选为10～80min，具体可为10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min或80min。混合反应结束后，冷却至室温，将反应得到的反应液和固渣进行分离。本发明对所述分离方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的固液分离方法即可。在本发明中，优选采用抽滤的方法进行分离，抽滤所用滤纸规格优选为中速。本发明中，农林废弃物和酸性助溶剂可在较温和条件下进行反应，能大量的脱除木质素和半纤维素而保留大部分纤维素在残渣中，反应不会造成木糖的过度降解，形成副产物。

得到反应液和固渣后，分别对所述反应液和所述固渣进行后续处理。其中，所述反应液的处理方式为降低其酸性助溶剂浓度。在本发明中，原本不溶于水的木质素在酸性助溶剂的包裹下水溶性增加，因此通过降低反应液中酸性助溶剂的浓度，就可使木质素从反应液中逐渐沉淀出来，最终实现木质素与反应液的分离。在本发明中，降低所述反应液中酸性助溶剂浓度的方式优选为将所述反应液和稀释剂混合，所述稀释剂包括但不限于水、乙醇和乙醚中的一种或多种，优选为水。在本发明中，所述反应液中酸性助溶剂的浓度优选降低至2～40wt％，更优选为5～10wt％，具体可为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％。在本发提供的一个实施例中，所述稀释剂的用量为反应液体积的10～15倍。待木质素沉淀完毕后，对混有木质素沉淀的反应液进行分离，本发明对所述分离方法并没有特殊限制，选择本领域技术人员公知的固液分离方法即可，优选采用抽滤，抽滤的滤膜孔径优选为0.22μm。分离后，得到含木糖酸液和木质素沉淀。在本发明中，所述含木糖酸液既可以在该体系下进一步转化，也可以旋转蒸发掉大部分水分回收酸性助溶剂。在本发明中，优选将含木糖酸液中的木糖转换为高工业附加值的糠醛，具体方法为：对所述含木糖酸液加热，进行反应，得到反应液；提取所述反应液中的糠醛。其中，所述反应的温度优选为110～180℃，具体可为110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃或180℃；所述反应的时间优选为15～60min，具体可为15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min；反应体系中的磺酸浓度优选为2～12wt％，具体可为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％或12wt％；若反应体系的磺酸浓度不满足要求，则可在进行加热反应之前，先对所述液相的磺酸浓度进行调整。在本发明中，提取了糠醛后剩余的残液既可以作为酸性助溶剂回用；也可以对所述残液中含有的磺酸进行回收，回收的方式包括浓缩、重结晶等。在本发明中，通过上述方式可实现木糖的高附加值转化和酸性助溶剂资源化利用。

在本发明中，农林废弃物和酸性助溶剂混合反应后分离得到的固渣在纤维素酶存在下进行水解。其中，所述固渣在进行水解之前优选先用去离子水冲洗至中性；所述水解的温度优选为30～80℃，具体可为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃或80℃；所述水解的时间优选为12～72h，具体可为12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h；所述水解的纤维素酶用量为优选3～30FPU，具体可为3FPU、7.5FPU、15FPU、22.5FPU或30FPU；所述水解的pH值优选为4～6，具体可为4.8；所述水解优选在抑菌剂存在下进行，所述抑菌剂包括但不限于叠氮钠和/或四环素；所述水解优选在摇床中进行，所述摇床的转速优选为100～200r/min，具体可为100r/min、110r/min、120r/min、130r/min、140r/min、150r/min、160r/min、170r/min、180r/min、190r/min或200r/min。固渣水解结束后，分离出清液，所述清液中含有大量的葡萄糖。在本发明中，在固渣水解阶段，纤维素酶水解糖苷键，得到葡萄糖，由于预处理过程移走了大量的木质素和半纤维素，纤维素几乎完全暴露出来，增加的酶的可及性，可有效地降低酶的用量，提高酶解葡萄糖收率。

本发明使用酸性助溶剂处理农林废弃物，在比较温和的反应条件下即可脱除农林废弃物中的木质素，不会引起单糖的过度降解，可降低农林废弃物的处理成本，提高葡萄糖和木糖的收率。而且，反应液中的木质素容易分离，仅通过稀释反应液的方式就可沉淀出。此外，本发明中的含木糖酸液后续直接通过加热反应，就可使其中含有的木糖转成具有较高附加值的糠醛。另外，提取糠醛后剩余的残留酸液既可以作为助溶剂循环使用，也可以通过浓缩、重结晶等手段对其中含有的磺酸进行回收，从而避免酸液外排污染环境。与现有的处理方法相比，本发明提供的农林废弃物处理方法具有绿色环保、节能高效、单糖收率高等优点，应具有很大的应用价值。

实验结果表明，采用本发明提供方法处理农林废弃物时，木质素脱除率可达到85％以上，木糖收率可达到70％以上，在低酶条件下的葡萄糖收率可达到85％以上。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

酸性助溶剂对甲基苯磺酸(p-TsOH)预处理玉米秸秆及其效果验证

1)称取4.0g经40目筛子筛选后的干燥玉米秸秆粉末，40mL含有75wt％的P-TsOH置于70mL机械搅拌釜中。

2)调节反应釜，使其转速为550rpm，全功率升温至70℃后保持30min。

3)反应结束后关闭电源，并迅速将反应釜置于用循环水降温至室温。

4)将反应产物从反应釜中转移出，过滤，得到滤液和固渣；向滤液加入10体积倍的水，沉淀木质素，固液分离，得到木质素沉淀和含木糖的糖液；

部分糖液浓缩后使用Waters 515HPLC(高效液相色谱仪)测定测其中的木糖含量，另一部分糖液用于制备糠醛；

5)将反应得到的固渣用去离子水冲洗至中性，称相当于0.2g绝干残渣加入4mL安培瓶中，酶用量为15FPU，加叠氮化钠缓冲液(pH4.8)使得反应终体积为4mL，封口，在50℃下、150r/min摇床中酶解72h。酶解结束后，将样品在10000r/min下离心40s，取上清液，使用Waters 515HPLC(高效液相色谱仪)测定酶水解液中的葡萄糖浓度。

结果显示，在以上条件下，木质素的回收率为85.8％，木糖的收率70.8％，葡萄糖的收率为85.5％。

实施例2

除了步骤1)p-TsOH浓度所述，其余条件和步骤均与实施例1一致，所述浓度依次取10wt％、25wt％、50wt％、90％，经测定，葡萄糖的收率依次为15.2％、38.4％、59.1％、85.1％，木糖的收率依次为7.3％、25.2％、45.9％、67.8％，木质素的回收率依次为1.5％、46.5％、65.1％、79.3％。

实施例3

除了步骤1)所述反应时间以外，其余条件和步骤均与实施例1一致，反应时间依次为15min、45min、60min、75min，经测定，葡萄糖的收率依次为42.8％、79.2％、81.5％、85.1％，木糖的收率依次为9.2％、69.4％、67.4％、65.4％，木质素的回收率依次为65.4％、88.3％、90.2％、92.5％。

实施例4

除了步骤1)所述反应温度以外，其余条件和步骤均与实施例1一致，反应温度依次为40℃、60℃、80℃、100℃，经测定，葡萄糖的收率依次为15.8％、59.5％、75.6％、71.2％，木糖的收率依次为8.4％、46.7％、65.8％、61.2％，木质素的回收率依次为25.2％、65.8％、88.3％、90.5％。

实施例5

酸性助溶剂对甲基苯磺酸(p-TsOH)玉米秸秆及其效果验证

除了步骤2)所述酶用量以外，其余条件和步骤均与实施例1一致，酶用量依次为3FPU、7.5FPU、22.5FPU、30FPU，葡萄糖的收率依次为12.3％、61.3％、86.2％、91.5％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种农林废弃物的预处理方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，步骤a)中，所述疏水基团包括烷基、烷基取代的苯基和α-烯基中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，步骤a)中，所述水溶液中酸性助溶剂的浓度为10～90wt％；所述农林废弃物和所述水溶液的用量比为1g：(6～15)mL。

4.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，步骤a)中，所述混合反应的温度为40～100℃；所述混合反应的时间为10～80min。

5.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，步骤b)中，降低所述反应液中酸性助溶剂浓度的方式为：

6.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的预处理方法，其特征在于，步骤c)中，所述反应的温度为110～180℃；所述反应的时间为15～60min。

8.根据权利要求6所述的预处理方法，其特征在于，步骤c)中，反应体系中的酸性助溶剂浓度为2～12wt％。

9.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，步骤b)中，所述水解的温度为30～80℃；所述水解的时间为12～72h；所述水解的纤维素酶用量为3～30FPU。

10.根据权利要求1～9任一项所述的预处理方法，其特征在于，所述农林废弃物包括玉米秸秆、玉米芯、水稻秸秆、高粱秸秆、甘蔗渣、小麦秸秆、微藻、薪柴、树皮、花生壳、树枝、木材卷皮和木材刨花中的一种或多种。