CN111876454B - 采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法，包括以下步骤：将木质纤维原料破碎至合适粒径，加入到熔盐水合物体系中；在20‑100℃的温度条件下搅拌反应0.1‑72h后，加入适量水以终止反应。反应结束后进行固液分离，将分离得到的木质纤维固体用水进行清洗脱盐，即得到可用于酶水解糖化处理的木质纤维固体。本发明所述的方法，不但成本低廉、操作简单、与糖化阶段匹配性高，而且熔盐可以循环再利用，整个过程绿色可持续，这对于木质纤维原料的应用具有重要的意义。此外，本申请在不溶解纤维素的情况下实现了木质纤维原料的高效预处理，为后续的固液分离提供了操作便利，在实际应用中具有非常重要的意义，将大大降低分离操作的复杂性和操作成本。

Description

采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法

技术领域

本发明涉及生物质精炼领域，具体涉及一种熔盐水合物体系预处理木质纤维原料改善酶水解糖化的新方法。

背景技术

木质纤维素类生物质是地球上蕴藏最丰富的可再生生物质资源，将其转化为能源、材料或化学品具有巨大的应用发展前景。木质纤维原料(主要指大部分的绿色植物)细胞壁的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中的纤维素和半纤维素分别是六碳糖和五碳糖的来源，而木质素是由苯丙烷结构单元通过碳碳键和醚键等链接方式形成的具有三维网络结构的大分子，其对纤维素和半纤维素的降解起到主要的物理阻碍作用。另一方面，纤维素纤维存在无定形区和结晶区，与分子排列无序的无定形区较易被降解不同，结晶区由于分子排列规则紧密而较难被降解(Science,2012,338,1055-1060)。

由于木质纤维原料的上述结构特征，将木质纤维原料转化为能源、材料或化学品的重要途径之一是建立廉价糖平台，而糖平台的建立需要预处理和糖化两个关键步骤。其中，预处理的作用是打破木质纤维原料天然的抗降解屏障，主要是破坏其复杂的高分子结构，脱除/分离木质素或半纤维素，以促进下游糖化效果(Ind.Eng.Chem.Res.,2016,55,8691-8705)。糖化步骤目前主要采用反应条件温和、选择性高的纤维素酶水解。在纤维素酶水解过程中，长链的纤维素会降解为其单体葡萄糖分子，而纤维素酶中混合的少量半纤维素酶，则可以把半纤维素降解为单糖分子；同时，半纤维素的降解也可以增加纤维素的暴露，增加纤维素酶对纤维素的可及性，从而促进纤维素酶对纤维素的降解。

常规的预处理方法主要分为两种，即以木质素为优先脱除策略的预处理方法(稀碱预处理、磺化预处理、有机溶剂预处理、低共熔溶剂预处理等)，和以半纤维素为优先脱除策略的预处理方法(水热预处理、稀酸预处理等)。此外，还有以物理法破坏植物细胞结构、减小物料颗粒尺寸的机械法预处理(蒸汽爆破、盘磨研磨、球磨处理、双螺杆挤压预处理等)，以及采用多种组合预处理的方式来提高预处理后木质纤维底物对酶的可及性，来改善糖化效果(Journal of Bioresources and Bioproducts,2017,2(1),4-9)。但这些预处理方法与糖化步骤的匹配性不足，纤维素酶的用量大，且目前纤维素酶的价格昂贵，从而导致糖化阶段的成本很高，限制了木质纤维原料在相应领域的应用。为了解决木质纤维原料预处理技术中存在的问题，科研人员通过研究发现，如果通过预处理使纤维素晶型结构转变为更容易被降解的结构，预处理后的木质纤维底物就可以实现良好的酶水解糖化效果，而并不需要大量脱除木质素或半纤维素(Green Chem.,2020,22,204-218)。例如，液氨预处理可以把秸秆原料中较难降解的纤维素I型结构转变为较易降解的纤维素III型结构，从而高效地促进了下游的酶水解糖化，并显著降低酶用量(Energy Environ.Sci.,2016,9,1215-1223)。但这种方法存在的问题是：液氨挥发性较强，因此对设备的密闭性要求很高；同时由于反应温度高达140度，进一步对反应釜耐高温耐高压的性能提出了更高的要求，从而增加了设备以及生产过程的成本。所以，开发清洁高效的木质纤维原料预处理技术，仍然是廉价秸秆糖平台建立的关键所在。

发明内容

针对现有技术中木质纤维原料预处理技术所存在的问题，本发明提供了采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法。所述方法不但成本低廉、操作简单、与糖化阶段匹配性高，而且熔盐可以循环再利用，整个过程绿色可持续，这对于木质纤维原料的应用具有重要的意义。

本发明的技术方案：采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法，包括以下步骤：

(1)将木质纤维原料破碎至粒径为1mm-1cm，加入到熔盐水合物体系中；在20-100℃的温度条件下搅拌反应0.1-72h后，加入不少于熔盐水合物重量的水以终止反应。所述的熔盐水合物体系(以下简称“熔盐体系”)是液态的熔盐水合物，所述1mol的熔盐体系中结合水的物质的量为3-6mol，换算为重量分数，所述熔盐体系中无机盐的重量分数是20-90％。其中，所述木质纤维原料与熔盐体系的重量比为1:5-100，搅拌反应的速度为300-1000rpm。所述的熔盐体系中，所述熔盐为Li⁺、Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Rb⁺、Ag⁺、Cs⁺和NH₄ ⁺的氯化盐、溴化盐、碘酸盐、高氯酸盐、硝酸盐、硫氰酸盐的水合物中的一种或几种组成的复合盐水合物。所述的木质纤维原料为微晶纤维素、溶解浆、商品漂白浆、木糖渣、秸秆和木粉中的一种。

发明人意外发现，通过熔盐体系预处理木质纤维原料，可以在不用大量脱除木质素和半纤维素的情况下，高效破坏纤维素结晶结构，使其由具有高结晶结构的纤维素解构为无定形纤维素，从而极大的提高了下游酶解糖化过程中纤维素酶对纤维素的可及性，实现在低酶用量下的高效糖化。

(2)反应结束后进行固液分离，将分离得到的木质纤维固体用水进行清洗脱盐，即得到可用于酶水解糖化处理的木质纤维固体。所述的固液分离采用离心分离或过滤。固液分离之后的熔盐溶液通过色谱分离杂质、蒸发浓缩后可以回收利用；所述清洗脱盐的水的量为步骤(1)中熔盐水合物体系重量的5-10倍。

本申请采用熔盐体系预处理木质纤维原料得到了木质纤维固体，不但操作条件温和，同时在不溶解纤维素的情况下实现了木质纤维原料中纤维素的结晶结构的转变。此外，不溶解纤维素也为后续的固液分离提供了操作便利，这在实际应用中具有非常重要的意义。

优选的是，步骤(1)中终止反应的水的用量为熔盐水合物重量的1-20倍。

优选的是，步骤(1)所述的熔盐体系中，所述熔盐为Li⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Zn²⁺的氯化盐、溴化盐、高氯酸盐的水合物中的一种或几种组成的复合盐水合物。

更优选的是，步骤(1)所述的熔盐体系中，所述熔盐为氯化锌、氯化钙、氯化镁、溴化锂或高氯酸锂的水合物。

优选的是，步骤(1)中，在20-80℃的温度条件下搅拌反应1-72h后，加入水终止反应。更优选的是，步骤(1)中，在20-50℃的温度条件下搅拌反应3-72h后，加入水终止反应。

所述的采用熔盐体系预处理木质纤维原料的方法，可以与其他预处理方法组合使用；所述的其他预处理方法为水热预处理、稀酸预处理、稀碱预处理、磺化预处理、有机溶剂预处理或蒸汽爆破预处理。组合使用时，本申请所述的方法作为两步预处理中的一步。

预处理原理：熔盐水合物中的金属盐阳离子与纤维素表面羟基中的氧原子发生静电作用，使纤维素羟基与金属盐阳离子发生配位，取代了熔盐中与金属阳离子配位的水分子。羟基与金属盐的配位破环了纤维素分子链之间的氢键作用，而且一部分金属盐阳离子可以渗透到纤维素结晶区部分，使具有规则结构的纤维素结晶区遭到破坏，纤维素分子链之间发生部分解离，有序结构变为分子排列无序的无定形纤维素。同时，熔盐水合物中的阴离子与纤维素羟基中的氢原子结合，避免了纤维素分子链间氢键的重新形成。综上，在熔盐水合物的阴阳离子协同作用的情况下，木质纤维原料中纤维素结晶结构发生了转变——由具有高结晶结构的纤维素解构为无定形纤维素。而纤维素酶对无定形纤维素的降解速度要比对具有高结晶结构纤维素的降解速度要快得多。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的方法采用了无机熔盐水合物体系，不但成本低廉、容易制备，而且熔盐可以回收循环再利用，整个过程绿色清洁可持续，这对于推动生物质精炼的工业化进程具有重要的实际意义。

(2)本发明所述的熔盐预处理方法在不用大量脱除木质素和半纤维素的情况下，高效破坏纤维素的结晶结构，使纤维素的晶型结构从纤维素I型变为无定形，从而极大的提高下游酶解糖化过程中纤维素酶对纤维素的可及性，实现在低酶用量下(纤维素酶的用量不超过5FPU/g底物)的高效糖化。

(3)本发明所述的方法，在不溶解纤维素的情况下实现了木质纤维原料中纤维素的结晶结构的转变，为后续的固液分离提供了操作便利，在实际应用中具有非常重要的意义，将大大降低分离操作的复杂性和操作成本。

附图说明

附图1微晶纤维素经熔盐预处理前后的XRD谱图(A：微晶纤维素；B：实施例1中经熔盐预处理后的微晶纤维素；C：实施例2中经熔盐预处理后的微晶纤维素；D：实施例3中经熔盐预处理后的微晶纤维素)；

附图2微晶纤维素的扫描电镜照片；

附图3实施例1中经熔盐预处理后的微晶纤维素的扫描电镜照片；

附图4微晶纤维素经熔盐预处理前后，酶水解转化率随水解时间的变化曲线；其中曲线A：微晶纤维素(纤维素酶用量20FPU/g纤维素)；曲线B：实施例1中经熔盐预处理后的微晶纤维素(纤维素酶用量1FPU/g纤维素)；曲线C：实施例1中经熔盐预处理后的微晶纤维素(纤维素酶用量5FPU/g纤维素)。

附图5溶解浆经熔盐预处理前后酶水解转化率随水解时间的变化曲线；其中曲线A：实施例4中的溶解浆原料(纤维素酶用量5FPU/g纤维素)；曲线B：实施例4中经熔盐预处理后的溶解浆(纤维素酶用量5FPU/g纤维素)。

附图6木糖渣经熔盐预处理前后酶水解转化率随水解时间的变化曲线；其中，曲线A：实施例5中的木糖渣原料(纤维素酶用量3FPU/g纤维素)；曲线B：实施例4中经熔盐预处理后的木糖渣(纤维素酶用量3FPU/g纤维素)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

预处理效果需要用酶水解来评价，而酶水解糖化段需要在低酶用量(纤维素酶的用量不超过5FPU/g底物，FPU为滤纸酶活单位)的情况下实现底物的高效酶水解，才具有实际应用的经济可行性。

实施例1：

用纯水准确配制5g含54％(w/w)ZnCl₂的熔盐水合物体系。准确称取1g微晶纤维素粉(粒径0.1cm)，加入到ZnCl₂熔盐水合物体系中，固液比1：5，在20℃下，在300rpm转速下持续搅拌15min，然后加入5g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用25g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后微晶纤维素的酶水解糖化效果；过滤得到的液体经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩，得到回收的ZnCl₂熔盐水合物。

本实施例中，经熔盐预处理后微晶纤维素的晶型结构与微晶纤维素原料明显不同，其结晶度也由原料微晶纤维素的77.3％下降到了46.1％。原料微晶纤维素在2θ＝14.9°、16.5°、22.5°与34.5°处出现纤维素I型的特征衍射峰(见附图1A)。而通过熔盐预处理后得到的纤维素仅在2θ＝20.1°与20.8°处出现较强峰(见附图1B)，这既不是典型的纤维素II型的特征衍射峰(2θ＝12.3°、20.1°和21.9°)，也不是典型的纤维素III型特征衍射峰(2θ＝11.7°、20.8°)，而是由纤维素I型结构向无定形结构转变的XRD谱图。此外，由附图2可见，原料微晶纤维素结构完整致密，而经熔盐预处理后的纤维素完全润涨，结构疏松，原来完整的致密结构被充分打破(见附图3)。这充分说明，经熔盐预处理后，微晶纤维素的结晶结构被高效打破解离，有利于后续的酶水解糖化。

酶水解糖化的条件为：酶水解固体载量2wt％，酶水解开始的pH值为4.8，在50℃的恒温空气浴摇床中进行酶水解实验。经过一定的时间取少量糖液进行液相色谱检测，并计算其酶水解转化率。由附图4可见，原料微晶纤维素在20FPU/g纤维素的酶用量下，经过48小时的酶水解后，其酶水解转化率仅为51％；而经熔盐预处理后的微晶纤维素在5FPU/g纤维素和1FPU/g纤维素的酶用量下，分别经过12小时和24小时，均可达到99％的转化率。这说明，经熔盐预处理后，微晶纤维素可以在极低的酶用量和较短的酶解时间下，实现高效糖化。

实施例2：

用纯水准确配制8g含56％(w/w)LiCl的熔盐水合物体系。准确称取1g微晶纤维素粉(粒径0.1cm)，加入到LiCl熔盐水合物体系中，固液比1：8，在30℃下，在400rpm转速下持续搅拌30min，然后加入16g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用48g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后微晶纤维素的酶水解糖化效果；过滤得到的液体经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩得到回收的LiCl熔盐水合物。

本实施例中，经熔盐预处理后微晶纤维素的晶型结构与微晶纤维素原料明显不同，其结晶度也由微晶纤维素的77.3％下降到了27.8％。原料微晶纤维素在2θ＝14.9°、16.5°、22.5°与34.5°处出现纤维素I型的特征衍射峰(见附图1A)。通过熔盐预处理后得到的纤维素仅在2θ＝20.1°与20.8°处出现较强峰(见附图1C)，这既不是典型的纤维素II型的特征衍射峰(2θ＝12.3°、20.1°和21.9°)，也不是典型的纤维素III型特征衍射峰(2θ＝11.7°、20.8°)，而是由纤维素I型结构向无定形结构转变的XRD谱图。这充分说明，经熔盐预处理后，微晶纤维素的结晶结构被充分打破，这有利于后续的酶水解糖化。

酶水解糖化的条件为：酶水解固体载量5wt％，酶水解开始的pH值为4.8，在50℃的恒温空气浴摇床中进行酶水解实验。纤维素酶用量为5FPU/g纤维素，经过24小时糖化后，取少量糖液进行液相色谱检测，并计算其酶水解转化率。原料微晶纤维素的酶水解转化率仅为32％，而经过熔盐预处理后的微晶纤维素酶解糖化转化率为98％，远高于原料微晶纤维素的酶解转化率。这说明，经熔盐预处理后，微晶纤维素可以在极低的酶用量下，实现高效酶水解糖化。

实施例3：

用纯水准确配制100g含25％(w/w)LiBr的熔盐水合物体系。准确称取1g微晶纤维素粉(粒径0.1cm)，加入到LiBr熔盐水合物体系中，固液比1：100，在25℃下，在500rpm转速下持续搅拌70小时，然后加入600g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用700g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后微晶纤维素的酶水解糖化效果；过滤得到的液体经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩得到回收的LiBr熔盐水合物。

本实施例中，经熔盐预处理后微晶纤维素的晶型结构与微晶纤维素原料明显不同，其结晶度也由微晶纤维素的77.3％下降到了14.9％。原料微晶纤维素在2θ＝14.9°、16.5°、22.5°与34.5°处出现纤维素I型的特征衍射峰(见附图1A)。通过熔盐预处理后得到的纤维素仅在2θ＝20.1°与20.8°处出现较强峰(见附图1D)，这既不是典型的纤维素II型的特征衍射峰(2θ＝12.3°、20.1°和21.9°)，也不是典型的纤维素III型特征衍射峰(2θ＝11.7°、20.8°)，而是由纤维素I型结构向无定形结构转变的XRD谱图。这充分说明，经熔盐预处理后，微晶纤维素的结晶结构被充分打破，这有利于酶水解糖化。

酶水解糖化的条件为：酶水解固体载量10wt％，酶水解开始的pH值为4.8，在50度的恒温空气浴摇床中进行酶水解实验。纤维素酶用量为5FPU/g纤维素，经过48小时糖化后，取少量糖液进行液相色谱检测，并计算其酶水解转化率。原料微晶纤维素的酶水解转化率仅为38％，而经过熔盐预处理后的微晶纤维素酶解糖化转化率为95％，远高于原料微晶纤维素的酶解转化率。这说明，经熔盐预处理后，微晶纤维素可以在极低的酶用量下，实现高效酶水解糖化。

实施例4：

用纯水准确配制80g含58％(w/w)CaCl₂的熔盐水合物体系。准确称取1g溶解浆纤维素(破碎到粒径1cm)，加入到CaCl₂熔盐水合物体系中，固液比1：80，在40℃下，在700rpm转速下持续搅拌1小时，然后加入800g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用640g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后溶解浆纤维素的酶水解糖化效果；过滤得到的液体经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩得到回收的CaCl₂熔盐水合物。

同样的，经熔盐预处理后溶解浆纤维素的晶型结构也由纤维素I型结构向无定形结构转变，预处理前后的结晶度由原来的86％降低到45％。说明经熔盐预处理后，溶解浆纤维素的结晶结构被充分打破，这有利于酶水解糖化。

酶水解糖化的条件为：酶水解固体载量8wt％，酶水解开始的pH值为4.8，在50度的恒温空气浴摇床中进行酶水解实验；经过一定的时间，取少量糖液进行液相色谱检测，并计算其酶水解转化率。由附图5可见，原料溶解浆纤维素在4FPU/g纤维素的酶用量下，经过120小时的酶水解后，其酶水解转化率仅为24％；而经熔盐预处理后的溶解浆纤维素在4FPU/g纤维素的酶用量下，经过72小时的糖化，可达到100％的转化率。这说明，经熔盐预处理后，溶解浆纤维素可以在极低的酶用量和较短的酶解时间下，实现高效糖化。

实施例5：

用纯水准确配制40g含60％(w/w)LiBr的熔盐水合物体系。准确称取1g木糖渣原料(破碎到粒径0.5cm)，加入到LiBr熔盐水合物体系中，固液比1：40，在50℃下，在600rpm转速下持续搅拌2小时，然后加入320g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用360g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后木糖渣的酶水解糖化效果；过滤得到的液体可以经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩得到回收的LiBr熔盐水合物。

同样的，经熔盐预处理后木糖渣的晶型结构也由纤维素I型结构向无定形结构转变，预处理前后的结晶度由原来的65％降低到34％。说明经熔盐预处理后，木糖渣中的纤维素的结晶结构被充分打破，这有利于酶水解糖化。

酶水解糖化的条件为：酶水解固体载量6wt％，酶水解开始的pH值为4.8，在50度的恒温空气浴摇床中进行酶水解实验；经过一定的时间，取少量糖液进行液相色谱检测，并计算其酶水解转化率。由附图6可见，原料木糖渣在5FPU/g纤维素的酶用量下，经过120小时的酶水解后，其酶水解转化率仅为69％；而经熔盐预处理后的木糖渣在5FPU/g纤维素的酶用量下，经过72小时的糖化，可达到99％的转化率。这说明，经熔盐预处理后，木糖渣可以在极低的酶用量和较短的酶解时间下，实现高效糖化，且在熔盐预处理过程中几乎不脱除木质素。

实施例6：

用纯水准确配制10g含85％(w/w)MgCl₂的熔盐水合物体系。准确称取1g麦秆原料(破碎到粒径1cm)，加入到MgCl₂熔盐水合物体系中，固液比1：10，在90℃下，在860rpm转速下持续搅拌9小时，然后加入50g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用65g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后麦秆的酶水解糖化效果；过滤得到的液体可以经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩得到回收的MgCl₂熔盐水合物。

同样的，经熔盐预处理后麦秆中的纤维素的晶型结构也由纤维素I型向无定形转变，预处理前后的结晶度由原来的56％降低到21％。说明经熔盐预处理后，麦秆中的纤维素的结晶结构被充分打破，这有利于酶水解糖化。

酶水解糖化的条件为：酶水解固体载量5wt％，酶水解开始的pH值为4.8，在50度的恒温空气浴摇床中进行酶水解实验，纤维素酶用量为5FPU/g纤维素；经过48小时糖化后，取少量糖液进行液相色谱检测，并计算其酶水解转化率。原料麦秆的酶水解转化率仅为21％，而经过熔盐预处理后的麦秆酶解糖化转化率为86％，远高于原料麦秆的酶解转化率。说明，经熔盐预处理后，麦秆可以在极低的酶用量下，实现高效酶水解糖化，且熔盐预处理过程中基本不脱除木质素和半纤维素，少量溶出的半纤维素和木质素等杂质混在熔盐溶液中，可以经色谱分离去除，然后熔盐溶液经蒸发浓缩可以回收得到MgCl₂熔盐水合物。

实施例7：

将麦秆原料破碎到粒径为0.8cm，取1kg破碎后的麦秆首先进行常规水热预处理；具体条件为：液固比为10(质量比)，温度175度保温3小时，反应釜旋转搅拌，转速为2rpm；水热预处理后进行固液分离，分离出来的固体用60g纯水清洗后备用。

用纯水准确配制8g含68％(w/w)LiBr的熔盐水合物体系。准确称取1g经常规水热预处理后的麦秆，加入到LiBr熔盐水合物体系中，固液比1：8，在80℃下，在950rpm转速下持续搅拌3小时，然后加入144g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用80g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后麦秆的酶水解糖化效果；过滤得到的液体经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩得到回收的LiBr熔盐水合物。

同样的，经熔盐预处理后麦秆中纤维素的晶型结构也由纤维素I型向无定形转变，原料麦秆的结晶度为56％，经常规水热预处理后麦秆的结晶度为63％，此处结晶度的升高是因为半纤维素在水热预处理过程中被大量脱除，而水热预处理后再进行熔盐预处理会使麦秆的结晶度降低到23％。说明经熔盐预处理后，麦秆中的纤维素的结晶结构被充分打破，这有利于酶水解糖化。

酶水解糖化的条件为：酶水解固体载量10wt％，酶水解开始的pH值为4.8，在50度的恒温空气浴摇床中进行酶水解实验；经过72小时糖化后，取少量糖液进行液相色谱检测，并计算其酶水解转化率。在15FPU/g纤维素的酶用量下，常规水热预处理麦秆的酶水解转化率仅为41％；而在5FPU/g纤维素的酶用量下，经过熔盐预处理后的麦秆酶解糖化转化率为92％，远高于只进行常规水热预处理后麦秆的酶解转化率，且酶用量也大大降低。说明，经熔盐预处理后，麦秆可以在极低的酶用量下，实现高效酶水解糖化，且熔盐预处理过程中基本不脱除木质素和半纤维素，少量溶出的半纤维素和木质素等杂质混在熔盐溶液中，可以经色谱分离去除，然后熔盐溶液经蒸发浓缩可以回收得到LiBr熔盐水合物。

实施例8：

用实施例1回收的5g含54％(w/w)ZnCl₂的熔盐水合物为预处理体系。准确称取1g微晶纤维素粉(粒径0.1cm)，加入到实施例1回收的ZnCl₂熔盐水合物体系中，固液比1：5，在20℃下，在300rpm转速下持续搅拌15min，然后加入5g纯水终止反应。过滤进行固液分离，分离得到的固体用25g纯水洗涤后进行酶水解实验，考查熔盐预处理后微晶纤维素的酶水解糖化效果；过滤得到的液体可以经色谱分离除去杂质物，然后蒸发浓缩得到回收的ZnCl₂熔盐水合物。

经熔盐预处理后微晶纤维素的晶型结构与微晶纤维素原料有着明显的不同，其结晶度也由微晶纤维素的77.3％下降到了46.6％。结晶度变化与实施例1中用新配置的ZnCl₂熔盐水合物的预处理效果基本相同。说明经熔盐预处理后，原料微晶纤维素的结晶结构被充分打破，这有利于酶水解糖化。

经实施例1的酶解糖化条件，在1FPU/g纤维素的酶用量下，糖化24小时，经熔盐预处理后的微晶纤维素酶解转化率为98.7％，这与实施例1中用新配置的ZnCl₂熔盐水合物的预处理后微晶纤维素的糖化效果相同。说明，用回收的熔盐水合物再回用于熔盐预处理，其处理效果不变。熔盐的回收和回用可以显著降低熔盐预处理的成本，并保证预处理过程的清洁。

在上述实施例中对纳米纤维素产品进行了XRD表征，具体检测方法如下：

对冷冻干燥后的样品(预处理前后的纤维素样品)采用X射线衍射仪(BrukerDiscover D8,Bruker Co.,Germany)进行X射线衍射的分析。其操作电压设为40kV，灯丝电流为40mA，扫射角度为5～50°，扫射速率为4°/min。基于参考文献Textile Res.J.,29：786－794(1959)所记载的方法，样品的结晶度(CrI)可通过公式CrI％＝(I200-Iam)/I200×100％进行计算。其中，I200为2θ约为22.5°(200)衍射的极大峰值，Iam为2θ约为18.5°(002面与110面之间的最低部)的衍射强度。

本发明中用到的纤维素酶为青岛蔚蓝生物公司提供的商品纤维素酶，其滤纸酶活为86FPU/mL。

综上可知，本发明提供了采用熔盐体系预处理木质纤维原料以改善酶水解糖化效率的方法。由上述实施例可知，经熔盐预处理后的木质纤维原料在不高于5FPU/g纤维素的酶用量下，经过12-72小时，基本都可达到90％以上乃至100％的转化率。这是因为，本申请所述的方法实现了在温和条件下纤维素结晶结构的高效破碎，从而在无需脱除木质素和半纤维素的条件下，实现了低酶用量下的高效酶水解。同时，熔盐水合物溶液通过色谱分离除去杂质，再经蒸发浓缩后实现了熔盐水合物的回收利用。因此，本申请所述的熔盐体系预处理木质纤维原料的方法，不仅过程清洁高效、操作简单，还显著降低了纤维素酶用量，从而实现低成本的糖化，建立了廉价秸秆糖平台，为木质纤维原料下游的进一步转化提供重要的技术支持。

Claims (5)

1.采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将木质纤维原料破碎至粒径为1mm-1cm，加入到含25％（w/w）LiBr的熔盐水合物体系中；在25℃的温度条件下搅拌反应70h后，加入不少于熔盐水合物重量的水以终止反应；所述木质纤维原料与熔盐水合物体系的重量比为1:100，搅拌反应的速度为500rpm；终止反应的水的用量为熔盐水合物重量的1-20倍；所述的木质纤维原料为微晶纤维素；

（2）反应结束后进行固液分离，将分离得到的木质纤维固体用水进行清洗脱盐，即得到可用于酶水解糖化处理的木质纤维固体。

2.采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将木质纤维原料破碎至粒径为1mm-1cm，加入到含60％（w/w）LiBr的熔盐水合物体系中；在50℃的温度条件下搅拌反应2h后，加入不少于熔盐水合物重量的水以终止反应；所述木质纤维原料与熔盐水合物体系的重量比为1:40，搅拌反应的速度为600rpm；终止反应的水的用量为熔盐水合物重量的1-20倍；所述的木质纤维原料为木糖渣；

（2）反应结束后进行固液分离，将分离得到的木质纤维固体用水进行清洗脱盐，即得到可用于酶水解糖化处理的木质纤维固体。

3.根据权利要求1或2所述的采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法，其特征在于：步骤（2）所述的固液分离为离心分离或过滤。

4.根据权利要求1或2所述的采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法，其特征在于：步骤（2）固液分离之后的熔盐溶液通过色谱分离杂质、蒸发浓缩后可以回收利用；所述清洗脱盐的水的量为步骤（1）中熔盐水合物体系重量的5-10倍。

5.根据权利要求1或2所述的采用熔盐水合物体系预处理木质纤维原料的方法，其特征在于：所述方法能与其他预处理方法组合使用，所述的其他预处理方法为水热预处理、稀酸预处理、稀碱预处理、磺化预处理、有机溶剂预处理或蒸汽爆破预处理。

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