CN109517862A - 一种利用咪唑类离子液体协同生物酶制剂降解木质纤维素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离子液体协同生物酶制剂以及以天然木质素为原料，利用离子液体协同生物酶制剂降解纤维素的方法，该方法包括：以天然木质纤维素为原料；以低浓度碱性试剂溶解天然木质纤维素，打散其三种成分之间的化学键及非化学键；利用混合生物酶制剂与离子液体1‑丁基‑3‑甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）降解木质纤维素。其中，协同酶制剂的离子液体的阳离子[BMIM]+中烯丙基的双键使得阳离子的结构更小，[BMIM]+可以深入木素、半纤维素及纤维素分子内部，使得期间非化学键更容易断裂，达到溶解木质纤维素纤维素的目的。

Description

一种利用咪唑类离子液体协同生物酶制剂降解木质纤维素的 方法

技术领域

本发明涉及一种木质纤维素的降解技术，特别是一种以离子液体协同生物酶制剂及其降解天然木质纤维素中木质素的方法。

背景技术

随着各种环境污染现象的频现，人类对环境问题关注甚深，天然聚合物的可再生和可降解性也延伸出了许多环境污染问题。小麦秸秆是一种天然的木质纤维素，其年产量大相对较大，其处理方式也是一种难题，例如其中利用秸秆还田，因降解速度慢，增加病虫害等特点，秸秆废弃物的处理困难。

木质纤维素通过微生物制剂降解方法，达到一种减量化的目的。生物酶制剂对木质素纤维素的降解效率达到65~70%，能解决半数以上的木质纤维素的降解，采用离子液体液体协同降解木质素，可以提高木质纤维素降解效率，其终产物多糖及单糖类可作为微生物繁殖所需碳源。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用离子液体协同生物酶制剂及其高效降解木质纤维素的方法。利用离子液体协同生物酶制剂降解木质纤维素成本低廉，清洁节能，同时，离子液体具有性能可调、溶解性强、热稳定性好、可重复利用、结构设计等特性，是一种与绿色特性相符合的新型的试剂。

一种离子液体协同生物酶制剂，包括：生物混合酶制剂1-3份、离子液体100~200份，体积份。

优选的，所述生物混合酶制剂为，锰过氧化物酶6~8份、木素过氧化物酶8~12份、漆酶6~9份、木聚糖酶10~14份，葡聚糖酶12~14份，甘露聚糖酶10~14份，其中，均为质量份。

优选的，所述离子液体为咪唑类氯盐，优选的，咪唑类氯盐选自1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）。咪唑类氯盐对木质纤维素的三维结构具有增强效果的特性，利用离子液体来降解木质纤维素是目前该领域极具研究前途的热点问题。协同酶制剂的离子液体的阳离子[BMIM]+中烯丙基的双键使得阳离子的结构更小，[BMIM]+可以深入木素、半纤维素及纤维素分子内部，使得期间非化学键更容易断裂，达到溶解木质纤维素纤维素的目的。

本发明还提供所述离子液体协同生物酶制剂的制备方法，生物混合酶制剂1-3体积份、离子液体100~200体积份，混合均匀。

本发明还提供所述离子液体协同生物酶制剂的用途，用于降解木质纤维素。

一种利用离子液体协同生物酶制剂高效降解木质纤维素的方法，包括以下步骤：

（1）秸秆预处理：将秸秆洗净烘干，粉碎过筛，得到秸秆粉；将秸秆粉至于蒸煮锅中，加入低浓度碱液进行碱化处理，反应后降至室温，得到秸秆浆液；

（2）降解木质纤维素：将秸秆浆液与离子液体协同生物酶制剂按照100~200：100-205体积比配比，得混合液A。将混合液A置于蒸煮锅中，加入蒸馏水，混合液与蒸馏水按照（1~2：20~30；v：v）配比； 在蒸煮锅降解，降解后得混合液体B。

以低浓度碱性试剂溶解天然木质纤维素，打散其三种成分之间的化学键及非化学键；利用混合生物酶制剂与离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）降解木质纤维素。

优选的，上述方法还包括下列步骤：（3）离子液体回收：向步骤（2）中所述的降解后混合液体B中加入蒸馏水于反应器中，混合液体B与水按照（1：2~3；v：v）配比，反应温度为20~30℃，反应时间1~1.5h。然后离心回收离子液体，离子液体可重复利用。

混合液体B加水抽滤，得到滤饼和滤液。滤饼是木质纤维素未降解的部分。滤液是离子液体与蒸馏水的混合回收液。对混合回收液减压蒸馏，减压蒸馏后的液体多次离心，离心后剩余的上层液体为离子液体。剩余液体中葡萄糖含量高可做微生物碳源。

木质纤维素未降解的部分可能是部分纤维素、半纤维素、及木质素的混合物。降解完全的部分的终产物为水和二氧化碳及少部分糖类。回收的离子液体中会含有和少量的糖类并不影响后续使用，离子液体的回收率高达92%，纯度达到85~90%。

步骤（1）中所述的秸秆为小麦秸秆，过筛小麦秸秆粒度为40~80目。

步骤（1）碱化处理中的低浓度碱液为NaOH溶液，其质量分数为1~6%。低浓度碱液与秸秆粉的质量比为3：100。低浓度碱液的重量以NaOH重量计算。

步骤（1）中的反应温度为105~120℃，反应时间为1.5~2.5小时。

步骤（2）中混合液A为，秸秆浆液与生物混合酶制剂、离子液体按照（100~200：1~3：100~200；v：v：v）配比的混合液。

步骤（2）中反应温度为50~60℃，反应时间为3~6 h。

步骤（3）中所述的反应器为集热式恒温加热磁力搅拌器。

步骤（3）中所述的离心回收离子液体，离心机转速7000~8000 r/min。

按照上述步骤（1）、步骤（2）操作，设置不添加离子液体的对照组实验，其木质纤维素的降解率约为65~70%，然而，添加离子液体后木质纤维素的降解率达到78~85%。

本发明的有益效果是，

（1）利用离子液体协同生物酶制剂降解木质纤维素的方式相较于仅使用生物酶制剂降解木质素的降解效率更高，降解效率增加了15~20%。

（2）由于咪唑类离子液体的阳离子分子结构更小，可以深入木质纤维素中三种成分的结构内部，对木质纤维素的三维结构具有更强的破坏性。

（3）利用离子液体酶制剂降解木质纤维素极大程度的节省了成本，其终产物，滤渣部分可回收继续进行降解处理，产生的葡萄糖等单糖物质，可以作为微生物繁殖碳源被重新利用，真正的使木质纤维素的降解的反应成为真正的“绿色反应”。

（4）离子液体可回收利用，其回收效率高，不影响循环使用对木质纤维素的降解效果。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明并不局限于此。

木质纤维素的降解率采用下列方法测定：

木质素测定方法：用kalson法测定，按照GB/T2677.6进行操作。操作方法如下：

a.分别精确称取1 g（称准至0.0001 g）处理样品，用定性滤纸包好并用棉线捆绑；

b.放入索氏抽提器中，按GB/T2677.6进行用95%的乙醇溶液抽提抽提8h，最后将滤纸包风干；

c.将风干后的滤纸内容物分别移入容量100 mL的具塞锥形瓶中，加入冷却至12-15℃的72（±0.1）%硫酸15 mL，使内容物全部被浸没，盖好瓶塞。

d.将锥形瓶置于20 ℃水浴中，保温2.5 h并不时摇晃，使瓶内反应均匀；

e.将锥形瓶内容物在蒸馏水漂洗下全部移入1000 mL锥形瓶，加入蒸馏水至总体积达560 mL，煮沸4 h，期间不断加水以保持总体积不变；

f.取定量滤纸若干张，用3 %硫酸溶液洗涤三至四次，再用热蒸馏水洗涤至洗液不呈酸性，烘干至恒重、称重；

g.用已经恒重的定量滤纸过滤步骤f中锥形瓶中液体，滤液测量体积并保存，并用热蒸馏水洗涤至洗液滴加数滴10 %氯化钡溶液不再浑浊、滤纸边缘不呈酸性为止。然后将滤纸烘干，称重；

h.灰分质量称取：将以烘干至恒重的带有残渣的滤纸移入已恒重的瓷坩埚中，先于较低温度灼烧至滤纸全部碳化，再置于高温炉中，在575±25 ℃下灼烧至灰渣中无黑色炭素，并恒重为止，称重。

半纤维素测定方法：DNS法

称取0.1g固体粉末，加入10mL 80%Ca(NO3)2，混匀后，加热煮沸5 min。冷却后用清水洗三遍，过滤后烘干。烘干后放置于150 mL的锥形瓶中，加入浓度为2mol/L HCl 10 mL后沸水浴45 min，全部转入150 mL的容量瓶中，滴加酚酞后用NaOH中和，使溶液变成玫瑰色后过滤，用蒸馏水洗涤后测定滤液与洗涤液的混合体积并记录。取2 mL滤液加入DNS显色剂1.5mL，沸水浴5 min，冷却后定容至15 mL，与540 nm波长下测定吸光度。

纤维素测定方法：国标法

A．称取0.05~0.06g粉末，装入离心管中加入硝酸醋酸混合液5mL。

B．将离心管置于沸水中煮沸25min，搅拌。

C．离心，去除上清液。加入蒸馏水洗涤三次

D．加入10 mL 0.5N的重铬酸钾溶液和8mL浓硫酸，搅匀，放入开水中10min，并定期搅拌

E．冷却后，加入三滴试亚铁灵试剂，用0.1N的硫酸亚铁铵溶液滴定。

实施例1

（1）秸秆预处理：将秸秆洗净烘干，粉碎过筛，秸秆为小麦秸秆，过筛小麦秸秆粒度为40目，得到秸秆粉；将秸秆至于蒸煮锅中，加入质量分数为1%的NaOH进行碱化处理，NaOH溶液与秸秆粉的质量比为3：100。反应温度为105℃，反应时间为1.5小时。反应后降至室温，得到秸秆浆液；

（2）降解木质纤维素：将秸秆浆液与生物混合酶制剂、离子液体按照（100：1：100；v：v：v）配比，取体积100：1：100mL，得混合液A。将混合液A置于蒸煮锅中，加入蒸馏水，其按照（1：20；v：v）配比取体积1：20mL。离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）。混合酶制剂为，锰过氧化物酶6份、木素过氧化物酶8份、漆酶6份、木聚糖酶10份，葡聚糖酶12份，甘露聚糖酶10份，其中，均为质量份。反应温度为50℃，反应时间为6 h。降解后得混合液体B。

（3）离子液体回收：将步骤（2）中所述的混合液B中加入2体积比的水，于集热式恒温加热磁力搅拌器中，反应温度为20℃，反应时间1 h。离心回收离子液体，转速7000 r/min，离子液体可重复利用，回收的离子液体中会含有和少量的糖类并不影响后续使用，离子液体的回收率为89%，离子液体的纯度为85%。

木质纤维素是通过加水抽滤后得到的残渣滤饼。通过Nrel法测定木质纤维素分别组分的含量，比较降解前后各组分的变化。

按照上述步骤（1）、步骤（2）操作，设置不添加离子液体的对照组实验，其木质纤维素的降解率约为66，然而，添加离子液体后木质纤维素的降解率达到80%。

实施例2

（1）秸秆预处理：将秸秆洗净烘干，粉碎过筛，秸秆为小麦秸秆，过筛小麦秸秆粒度为60目，得到秸秆粉；将秸秆至于蒸煮锅中，加入质量分数为3%的NaOH进行碱化处理，NaOH溶液与秸秆粉的质量比为3：100。反应温度为110℃，反应时间为2小时。反应后降至室温，得到秸秆浆液；

（2）降解木质纤维素：将秸秆浆液与生物混合酶制剂、离子液体按照（150：2：150；v：v：v）配比，取体积150：2：150mL。将混合液置于蒸煮锅中，加入蒸馏水，其按照（3：50；v：v）配比，取体积1.5：25mL，得混合液A。混合酶制剂为，锰过氧化物酶7份、木素过氧化物酶10份、漆酶7份、木聚糖酶12份，葡聚糖酶13份，甘露聚糖酶12份，其中，均为质量份。离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）。反应温度为55℃，反应时间为4.5 h。降解后得混合液体B。

（3）离子液体回收：将步骤（2）中所述的混合液B中加入2.5体积比的水，于集热式恒温加热磁力搅拌器中，反应温度为25 ℃，反应时间1.25 h。离心回收离子液体，转速7500r/min，离子液体可重复利用。回收的离子液体中会含有和少量的糖类并不影响后续使用，离子液体的回收率为85%，离子液体的纯度为82%。

按照上述步骤（1）、步骤（2）操作，设置不添加离子液体的对照组实验，其木质纤维素的降解率约为68%，然而，添加离子液体后木质纤维素的降解率达到81%。

实施例3

（1）秸秆预处理：将秸秆洗净烘干，粉碎过筛，秸秆为小麦秸秆，过筛小麦秸秆粒度为80目，得到秸秆粉；将秸秆至于蒸煮锅中，加入质量分数为6%的NaOH进行碱化处理，NaOH溶液与秸秆粉的质量比为3：100。反应温度为115℃，反应时间为1.25小时。反应后降至室温，得到秸秆浆液；

（2）降解木质纤维素：将秸秆浆液与生物混合酶制剂、离子液体按照（200： 3： 200；v：v：v）配比，取体积200：3：200mL，得混合液A。将混合液A置于蒸煮锅中，加入蒸馏水，其按照（1： 15；v:v）配比，取体积1：15mL。混合酶制剂为，锰过氧化物酶8份、木素过氧化物酶12份、漆酶8份、木聚糖酶14份，葡聚糖酶14份，甘露聚糖酶14份，其中，均为质量份。离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）。反应温度为60℃，反应时间为3h。降解后得混合液体B。

（3）离子液体回收：将步骤（2）中所述的混合液B中加入3体积比的水，于集热式恒温加热磁力搅拌器中，反应温度为30℃，反应时间1.5h。离心回收离子液体，转速8000 r/min，离子液体可重复利用。回收的离子液体中会含有和少量的糖类并不影响后续使用，离子液体的回收率为87%，离子液体的纯度为86%。

按照上述步骤（1）、步骤（2）操作，设置不添加离子液体的对照组实验，其木质纤维素的降解率约为70%，然而，添加离子液体后木质纤维素的降解率达到85%。

实施例4

（1）秸秆预处理：将秸秆洗净烘干，粉碎过筛，秸秆为小麦秸秆，过筛小麦秸秆粒度为70目，得到秸秆粉；将秸秆至于蒸煮锅中，加入质量分数为5%的NaOH进行碱化处理，NaOH溶液与秸秆粉的质量比为3：100。反应温度为120℃，反应时间为2.5小时。反应后降至室温，得到秸秆浆液；

（2）降解木质纤维素：将秸秆浆液与生物混合酶制剂、离子液体按照（200： 3： 200；v：v：v）配比，取体积200：3：200mL，得混合液A。将混合液A置于蒸煮锅中，加入蒸馏水，其按照（1： 30；v:v）配比，取体积1：30mL。混合酶制剂为，锰过氧化物酶8份、木素过氧化物酶11份、漆酶9份、木聚糖酶13份，葡聚糖酶14份，甘露聚糖酶13份，其中，均为质量份。离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）。反应温度为55℃，反应时间为3.5h。降解后得混合液体B。

（3）离子液体回收：将步骤（2）中所述的混合液B中加入3体积比的水，于集热式恒温加热磁力搅拌器中，反应温度为29℃，反应时间1.2h。离心回收离子液体，转速8000 r/min，离子液体可重复利用。回收的离子液体中会含有和少量的糖类并不影响后续使用，离子液体的回收率为84%，离子液体的纯度为87%。

按照上述步骤（1）、步骤（2）操作，设置不添加离子液体的对照组实验，其木质纤维素的降解率约为72%，然而，添加离子液体后木质纤维素的降解率达到85%。

实施例5

（1） 秸秆预处理：将秸秆洗净烘干，粉碎过筛，秸秆为小麦秸秆，过筛小麦秸秆粒度为60目，得到秸秆粉；将秸秆至于蒸煮锅中，加入质量分数为4.5%的NaOH进行碱化处理，NaOH溶液与秸秆粉的质量比为3：100。反应温度为120℃，反应时间为1.75小时。反应后降至室温，得到秸秆浆液；

（2） 降解木质纤维素：将秸秆浆液与生物混合酶制剂、离子液体按照（150：1：150；v：v：v）配比，取体积150：1：150mL。将混合液置于蒸煮锅中，加入蒸馏水，其按照（3：50；v：v）配比，取体积1.5：25mL，得混合液A。混合酶制剂为，锰过氧化物酶8份、木素过氧化物酶11份、漆酶7份、木聚糖酶11份，葡聚糖酶14份，甘露聚糖酶11份，其中，均为质量份。离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）。反应温度为55℃，反应时间为6 h。降解后得混合液体B。

（3） 离子液体回收：将步骤（2）中所述的混合液B中加入2.75体积比的水，于集热式恒温加热磁力搅拌器中，反应温度为26 ℃，反应时间1.4 h。离心回收离子液体，转速7500 r/min，离子液体可重复利用。回收的离子液体中会含有和少量的糖类并不影响后续使用，离子液体的回收率为80%，离子液体的纯度为83%。

按照上述步骤（1）、步骤（2）操作，设置不添加离子液体的对照组实验，其木质纤维素的降解率约为69%，然而，添加离子液体后木质纤维素的降解率达到81%。

Claims (10)

1.一种离子液体协同生物酶制剂，包括：生物混合酶制剂1-3份、离子液体100~200份，体积份。

2.如权利要求1所述的离子液体协同生物酶制剂，其特征在于，所述生物混合酶制剂为，锰过氧化物酶6~8份、木素过氧化物酶8~12份、漆酶6~9份、木聚糖酶10~14份，葡聚糖酶12~14份，甘露聚糖酶10~14份，其中，均为质量份。

3.如权利要求1或2所述的离子液体协同生物酶制剂，其特征在于，所述离子液体为咪唑类氯盐，优选的，咪唑类氯盐选自1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）。

4.如权利要求1-3任一项所述离子液体协同生物酶制剂的制备方法，生物混合酶制剂1-3体积份、离子液体100~200体积份，混合均匀。

5.如权利要求1-3任一项所述的离子液体协同生物酶制剂的用途，或者如权利要求4所述的制备方法制备的离子液体协同生物酶制剂的用途，用于降解木质纤维素。

6.一种利用离子液体协同生物酶制剂高效降解木质纤维素的方法，包括以下步骤：

（1）秸秆预处理：将秸秆洗净烘干，粉碎过筛，得到秸秆粉；将秸秆粉至于蒸煮锅中，加入低浓度碱液进行碱化处理，反应后降至室温，得到秸秆浆液；

（2）降解木质纤维素：将秸秆浆液与权利要求1-3任一项所述的离子液体协同生物酶制剂按照100~200：100~205体积比配比，得混合液A；将混合液A置于蒸煮锅中，加入蒸馏水，混合液与蒸馏水按照1~2：20~30体积比配比； 在蒸煮锅降解，降解后得混合液体B。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

（3）离子液体回收：向步骤（2）中所述的降解后混合液体B中加入蒸馏水于反应器中，混合液体B与水按照1：2~3体积比配比，反应温度为20~30℃，反应时间1~1.5h；然后离心回收离子液体，离子液体重复利用。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的秸秆为小麦秸秆，过筛小麦秸秆粒度为40~80目；

步骤（1）碱化处理中的低浓度碱液为NaOH溶液，其质量分数为1~6%；

低浓度碱液与秸秆粉的质量比为3：100；

步骤（1）中的反应温度为105~120℃，反应时间为1.5~2.5小时。

9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤（2）中混合液A为，秸秆浆液与生物混合酶制剂、离子液体按照（100~200：1~3：100~200；v：v：v）配比的混合液；

步骤（2）中反应温度为50~60℃，反应时间为3~6 h。

10.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的反应器为集热式恒温加热磁力搅拌器；

步骤（3）中所述的离心回收离子液体，离心机转速7000~8000 r/min。