CN112575045A - 一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法，包括以下步骤：a)玉米秸秆和酸性乙二醇溶液混合反应，固液分离后得到反应液和固体残渣；b)降低所述反应液中的酸性乙二醇溶液的浓度，得到木质素沉淀和富含木糖的溶液；所述固体残渣在纤维素酶作用下进行水解，得到葡萄糖。本发明使用酸性乙二醇预处理玉米秸秆，在相对温和的反应条件下即可高效脱除玉米秸秆中的木质素，克服了传统处理方法高能耗、反应苛刻、反应周期长等缺点，可降低玉米秸秆的处理成本，实现高效脱除木质素。而且，反应液中的木质素容易分离，通过简单的稀释反应液的方式就可沉淀出木质素。采用本发明提供的方法处理玉米秸秆，木质素脱除率可达到80％以上。

Description

一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法

技术领域

本发明涉及生物质资源技术领域，尤其涉及一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法。

背景技术

生物质是世界上最丰富的可再生资源，近年来，生物质向燃料和化学品的转化吸引了很多科学家的兴趣。生物质主要由三大组分组成：纤维素，半纤维素和木质素。生物质精炼的目标是将三大组分高效转化为高附加值的产品，并且在这个过程中尽可能的减少化学品的使用。但是，生物质顽固的天然屏障阻碍了其有效转化为化学品，为了实现生物质的最大化利用，高效脱除木质素可以打破生物质的天然屏障，为接下来三大组分的利用提供了前提条件。木质素通过苄基醚(BE)，苄基酯，苯基糖苷键与半纤维素以共价键的方式连接，形成木质素和碳水化合物的复合结构(LCCs)。因此，如何高效的打破LCCs结构实现木质素和半纤维素的分离，并且尽量避免分离的木质素片段在底物上的沉积，可以提高木质素的收率以及接下来的酶解纤维素效率。

迄今为止，生物质预处理中已经开发出许多脱除木质素方法。在这些方法中，碱处理被认为是一种有效的方法，已广泛用于从生物质材料中分离木质素。但是，在某些特定条件下，用碱性水溶液进行预处理可能会导致预处理后的生物质的纤维素结晶度和微晶尺寸发生变化。除了碱性溶液处理外，研究者们采用有机溶剂脱除木质素，生物质在经过有机溶剂预处理后可以分离得到高质量的木质素，这些木质素可以转化为其它高附加值的化学品。有机溶剂预处理被认为是一种有效的脱除木质素的方法，可以使用有机或者水溶性有机溶剂并且在加入或者不加入酸或碱的条件下，破坏木质素和半纤维素之间的连接键，从而实现高质量的木质素和纤维素的分离。目前采用有机溶剂预处理脱除木质素，脱除率仅能达到～30％，如何实现更高的脱除率是目前主要待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法，获得了较高的木质素脱除率。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法，包括以下步骤：

a)玉米秸秆和酸性乙二醇溶液混合反应，固液分离后得到反应液和固体残渣；

b)降低所述反应液中的酸性乙二醇溶液的浓度，得到木质素沉淀和富含木糖的溶液；

所述固体残渣在纤维素酶作用下进行水解，得到葡萄糖。

优选的，所述酸性乙二醇溶液中的酸性助溶剂为有机酸或无机酸。

优选的，所述无机酸选自硫酸、磷酸、盐酸中的一种或多种；

所述有机酸选自醋酸、对甲基苯磺酸中的一种或多种。

优选的，所述步骤a)中，所述酸性乙二醇溶液中的酸浓度为0.3wt％～0.9wt％；

所述玉米秸秆和酸性乙二醇溶液的固液比为4g:(24～60)mL。

优选的，所述步骤a)中，所述混合反应的温度为100～140℃；所述混合反应的时间为45～120min。

优选的，所述步骤b)中，降低所述反应液中的酸性乙二醇溶液的浓度的方式为：

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，所述步骤b)中，水解的温度为30～80℃；

水解的时间为12～72h；

水解的纤维素酶用量为3～30FPU。

优选的，所述方法还包括：

c)对所述富含木糖的溶液加热，进行反应，得到第二反应液；提取所述第二反应液中的糠醛，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，所述步骤c)中，反应的温度为130～180℃；所述反应的时间为15～60min。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法，包括以下步骤：a)玉米秸秆和酸性乙二醇溶液混合反应，固液分离后得到反应液和固体残渣；b)降低所述反应液中的酸性乙二醇溶液的浓度，得到木质素沉淀和富含木糖的溶液；所述固体残渣在纤维素酶作用下进行水解，得到葡萄糖。

本发明使用酸性乙二醇预处理玉米秸秆，在相对温和的反应条件下即可高效脱除玉米秸秆中的木质素，克服了传统处理方法高能耗、反应苛刻、反应周期长等缺点，可降低玉米秸秆的处理成本，实现高效脱除木质素。而且，反应液中的木质素容易分离，通过简单的稀释反应液的方式就可沉淀出木质素。此外，本发明中的富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又可以作为反应溶剂循环使用。实验结果表明，采用本发明提供的方法处理玉米秸秆时，木质素脱除率可达到80％以上，在低酶条件下的葡萄糖收率可达到78％以上。

附图说明

图1为玉米秸秆预处理前的扫描电子显微镜(SEM)图；

图2为玉米秸秆预处理后的扫描电子显微镜(SEM)图；

图3为预处理稀酸浓度对纤维素酶水解的葡萄糖收率和木质素脱除的影响曲线图；

图4为预处理反应时间对纤维素酶水解的葡萄糖收率和木质素脱除的影响曲线图；

图5为预处理反应温度对纤维素酶水解的葡萄糖收率和木质素脱除的影响曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法，包括以下步骤：

a)玉米秸秆和酸性乙二醇溶液混合反应，固液分离后得到反应液和固体残渣；

b)降低所述反应液中的酸性乙二醇溶液的浓度，得到木质素沉淀和富含木糖的溶液；

所述固体残渣在纤维素酶作用下进行水解，得到葡萄糖。

在众多有机溶剂中，乙二醇是一种生物质衍生的绿色无毒溶剂，其结构在水和氧气中相当稳定。同时，乙二醇既便宜又丰富。乙二醇溶液可有效溶解木质素，从而使其在木质素分离中发挥重要作用。当把乙二醇溶液稀释至低于最小助溶浓度时，可以将木质素从溶液中沉淀出来。

在本发明中，首先将玉米秸秆和酸性乙二醇溶液混合反应。其中，所述玉米秸秆中含有半纤维素、纤维素和木质素；为了使所述玉米秸秆可以更充分的与酸性乙二醇溶液反应，优选先将所述玉米秸秆粉碎成粉末，所述粉末粒径优选≤40目。在本发明中，酸性乙二醇溶液的特点是：稀酸作为催化剂切断木质素与木质素以及木质素和半纤维素之间作用键，使得大量的木质素和半纤维素可以从玉米秸秆中分离出来，打破了其原本致密的结构，大量的纤维素暴露出来，增加了纤维素酶的可及性，提高后续酶解葡萄糖的收率。而且，木质素可以溶解在乙二醇中避免了其沉积在纤维素表面促进了下一步的酶解反应。

本发明优选的，所述酸性乙二醇溶液中的酸性助溶剂为有机酸或无机酸。

进一步优选的，所述无机酸选自硫酸、磷酸、盐酸中的一种或多种。

进一步优选的，所述有机酸选自醋酸、对甲基苯磺酸中的一种或多种。

本发明优选的，所述酸性乙二醇溶液中的酸浓度为0.3wt％～0.9wt％。

在本发明中，玉米秸秆和酸性乙二醇溶液混合反应的过程中，所述玉米秸秆和酸性乙二醇溶液的固液比优选为4g:(24～60)mL，具体可为4g:24mL、4g:32mL、4g:40mL、4g:48mL或4g:60mL；所述混合反应的温度优选为100～140℃，具体可为100℃、110℃、120℃、130℃或140℃；所述混合反应的时间优选为45-120min，具体可为45min、60min、75min、90min、105min或120min。

混合反应结束后，优选的，反应体系冷却至室温，将反应得到的反应液和固体残渣进行固液分离。

本发明对上述固液分离的方法并无特殊限定，包括但不限于过滤、抽滤等本领域技术人员熟知的固液分离方法。

在本发明中，优选采用抽滤的方法进行固液分离，抽滤所用滤纸规格优选为中速。本发明中，玉米秸秆和酸性乙二醇溶液可在相对温和条件下进行反应，能脱除大量的木质素和半纤维素而且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。

得到反应液和固体残渣后，分别对所述反应液和固体残渣进行后续处理。

其中，所述反应液的处理方式为降低其酸性乙二醇的浓度。在本发明中，原本不溶于水的木质素在酸性乙二醇的协同下水溶性增加，因此通过降低反应液中酸性乙二醇的浓度，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乙二醇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采用抽滤进行分离，抽滤的滤膜孔径优选为0.22μm。分离后，得到富含木糖的酸液和木质素沉淀。

在本发明中，所述富含木糖的酸液在该体系下进一步转化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，得到第二反应液；提取所述第二反应液中的糠醛。其中，所述反应的温度优选为130～180℃，具体可为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；反应体系中稀酸的浓度优选为2wt％～12wt％，具体可为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％或12wt％；若反应体系的稀酸的浓度不满足要求，则可在进行加热反应之前，先对所述的稀酸浓度进行调整。在本发明中，提取了糠醛后剩余的残液又可以继续作为反应溶剂循环使用。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乙二醇的循环利用。

在本发明中，玉米秸秆和酸性乙二醇混合反应后分离得到的固体残渣在纤维素酶的作用下进行水解。其中，所述固体残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优选为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；所述酶水解反应优选在抑菌剂存在下进行，所述抑菌剂优选为叠氮钠或四环素；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。固体残渣水解结束后，分离出上清液，所述上清液中含有大量的葡萄糖。在本发明中，在固体残渣水解阶段，纤维素酶水解糖苷键，得到葡萄糖。由于预处理过程脱除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。

本发明使用酸性乙二醇处理玉米秸秆，在相对温和的反应条件下即可高效脱除玉米秸秆中的木质素，不会引起单糖的过度降解，该方法可以降低玉米秸秆的处理成本，提高酶解的葡萄糖收率。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木质素。此外，本发明中的富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可以作为反应溶剂循环使用，从而避免酸液外排污染环境。与现有的处理方法相比，本发明提供的玉米秸秆的处理方法具有绿色环保、节能高效、单糖收率高等优点，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玉米秸秆时，木质素脱除率可达到80％以上，在低酶条件下的葡萄糖收率可达到78％以上。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法进行详细描述。

实施例1

酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的案例及其效果验证

1)称取4.0g经40目筛子筛选后的干燥玉米秸秆粉末，量取40ml的酸性乙二醇溶液，稀硫酸浓度为0.6wt％，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120℃后保持60min。

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，得到木质素沉淀和富含木糖的糖液；

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)将反应得到的固体残渣用去离子水冲洗至中性，称量相当于0.2g绝干残渣加入4mL安培瓶中，酶用量为3FPU，加叠氮化钠缓冲液(pH 4.8)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，木质素的脱除率为80.3％，葡萄糖的收率为78.4％。

图1为本实施例中玉米秸秆预处理前的扫描电子显微镜(SEM)图。

图2为本实施例中玉米秸秆预处理后的扫描电子显微镜(SEM)图。

由图1和图2的对比可以看出未经处理的玉米秸秆显示出光滑且高度有序的形态，这阻止纤维素酶吸附在纤维素上。显然，处理过的玉米秸秆的表面被破坏，出现了细小的裂纹并且形态变得紊乱和松散，这主要是由于脱除木质素和半纤维素造成的。

实施例2

酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的案例及其效果验证

除了步骤1)中所述稀硫酸的浓度，其余条件和步骤均与实施例1一致，所述浓度依次取0.30wt％、0.45wt％、0.75wt％、0.90wt％，经测定，葡萄糖的收率依次为51.4％、66.8％、79.1％、80.3％，木质素的脱除率依次为62.1％、72.2％、81.9％、82.3％。

图3为本实施例预处理稀酸浓度对纤维素酶水解的葡萄糖收率和木质素脱除的影响曲线图。

实施例3

酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的案例及其效果验证

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45min、75min、90min、105min、120min，经测定，葡萄糖的收率依次为70.6％、83.4％、85.4％、85.3％、86％，木质素的脱除率依次为74.7％、82.8％、85.3％、85.6％、86.3％。

图4为本实施例预处理反应时间对纤维素酶水解的葡萄糖收率和木质素脱除的影响曲线图。

实施例4

酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的案例及其效果验证

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100℃、110℃、130℃、140℃，经测定，葡萄糖的收率依次为55.7％、71％、86.3％、86.9％，木质素的脱除率依次为67.7％、77.6％、85.5％、86.5％。

图5为本实施例预处理反应温度对纤维素酶水解的葡萄糖收率和木质素脱除的影响曲线图。

实施例5

酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的案例及其效果验证

除了步骤1)所述稀硫酸以外，其余条件和步骤均与实施例1一致，稀酸换成稀盐酸、稀磷酸、醋酸和对甲基苯磺酸，经测定，木质素的脱除率依次为76.5％、71.6％、60.1％、74.3％。

由上述实施例可知，本发明采用酸性乙二醇溶液脱除木质素，获得了较高的木质素脱除率和酶解率。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于酸性乙二醇溶液高效脱除木质素的方法，包括以下步骤：

a)玉米秸秆和酸性乙二醇溶液混合反应，固液分离后得到反应液和固体残渣；

b)降低所述反应液中的酸性乙二醇溶液的浓度，得到木质素沉淀和富含木糖的溶液；

所述固体残渣在纤维素酶作用下进行水解，得到葡萄糖。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸性乙二醇溶液中的酸性助溶剂为有机酸或无机酸。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无机酸选自硫酸、磷酸、盐酸中的一种或多种；

所述有机酸选自醋酸、对甲基苯磺酸中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述酸性乙二醇溶液中的酸浓度为0.3wt％～0.9wt％；

所述玉米秸秆和酸性乙二醇溶液的固液比为4g:(24～60)mL。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述混合反应的温度为100～140℃；所述混合反应的时间为45～120min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，降低所述反应液中的酸性乙二醇溶液的浓度的方式为：

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。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，水解的温度为30～80℃；

水解的时间为12～72h；

水解的纤维素酶用量为3～30FPU。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

c)对所述富含木糖的溶液加热，进行反应，得到第二反应液；提取所述第二反应液中的糠醛，得到残液；对所述残液中含有的酸性助溶剂进行回收。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，反应的温度为130～180℃；所述反应的时间为15～60min。

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