CN112899313A - 一种酸性低共熔溶剂及制备与在预处理秸秆提高酶解效率中的应用 - Google Patents

一种酸性低共熔溶剂及制备与在预处理秸秆提高酶解效率中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酸性低共熔溶剂及制备与在预处理秸秆提高酶解效率中的应用。以含苯环的季铵盐和有机酸反应制备酸性低共熔溶剂，所得酸性低共熔溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用方法为：先将秸秆与DES溶剂混合进行预处理，然后进行木质素的提取和秸秆残渣的酶解糖化。本发明中秸秆木质素去除率达到75～84％，纤维素的保留率达到了90％，秸秆残渣酶解效率达到71～89％。本发明可在较低温度和较短时间内高效分离秸秆组分，提高木质素去除率的同时高度保留了纤维素组分，提高了酶解糖化效率。

Description

一种酸性低共熔溶剂及制备与在预处理秸秆提高酶解效率中 的应用
技术领域
本发明属于生物质资源化的技术领域，具体涉及一种酸性低共熔溶剂及制备与在预处理秸秆提高酶解效率中的应用。
背景技术
随着全球经济的快速发展，人们对能源的需求日益增加。在全球的能源结构中，化石能源仍然占据主导地位，超过80％的能源来自煤、石油、天然气等化石能源，然而化石能源属于不可再生能源，不断增长的需求与有限的存储量势必导致人类面临能源枯竭的局面。因此，寻找绿色、可再生的化石燃料替代资源进行开发利用，以实现全球经济的可持续发展成为了人类的必然选择。
纤维素乙醇是解决能源短缺和资源匮乏的有效途径，纤维素乙醇作为替代燃油具有以下几个优势：(1)纤维素是世界上唯一可预测的能为人类提供物质和燃油的可再生资源，合理的应用有利于农业、工业经济的发展；(2)纤维素乙醇的应用能减少温室气体排放，能缓解地球变暖问题，符合世界各国消减碳排放的政策导向；(3)新能源车的普及推广和乙醇燃油的车用技术成熟，为纤维素乙醇带来广阔市场。我国作为农业大国，生物质资源丰富，大量农业废弃物常常未得到充分利用，甚至焚烧造成资源浪费和环境污染。如何合理高效的利用这些农作物秸秆转化为纤维素乙醇，实现变废为宝具有重要意义。
生物转化法是纤维素制备乙醇最广泛、最具发展前途的方法，木质纤维素酶解发酵生产乙醇主要包括预处理、酶解、发酵和蒸馏等步骤。但是木质纤维素结构复杂，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，纤维素以微纤丝的状态存在排列紧密，构成细胞壁的骨架。半纤维素分散或包裹在纤维素微束的周围，保护纤维素不受破坏。木质素分布在纤维素和半纤维素的表面，形成保护层。纤维素和半纤维素之间以及纤维素分子内部主要靠氢键形成氢键网络，半纤维素和木质素之间主要靠醚键和酯键等连接形成网络结构。三者错综复杂地缠绕在一起形成稳定牢靠的整体，因此木质纤维素常常表现出抗降解能力和生物顽抗性。天然的木质纤维素若直接进行酶解糖化，不仅纤维素酶用量大，而且酶解糖化效率非常低甚至该过程无法进行。因此在木质纤维素进行酶解糖化之前，通过预处理来打破木质纤维坚实的细胞壁结构、降低纤维素的结晶度以及去除部分半纤维素和木质素，以提高糖化效率，成为了木质纤维素原料生物炼制技术的核心步骤。
开发高效、低成本并有利于木质素资源化高效利用的预处理技术是其中的关键之一。目前报道的预处理方法众多，例如稀酸法、碱法、有机溶剂法等，但是在实际应用过程中，酸碱以及有机溶剂的应用对设备的损耗和环境的危害都很大。低共熔溶剂(DES)是由两种或三种之间能形成氢键的物质，混合加热一定时间后形成的在室温条件下呈液态的混合溶剂，由于电荷的离域作用，混合溶剂的熔点远低于单个组分。DES溶剂合成简单，仅需要在60℃下将两种或三种一定比例的组分搅拌至透明液体即可，其合成收率为100％，无需进一步纯化，具有低挥发性和高热稳定性，在生物质溶解和预处理方面表现出很好的应用前景。Fang等人(Ind.Eng.Chem.Res.2017,56,12,3167–3174)使用氯化胆碱和甘油合成了DES溶剂对棕榈叶进行预处理，发现木质素虽然被脱除，但是去除率仅为22％。进一步的研究发现DES溶剂对生物质中的木质素有更好的提取效果，能更有利地促进生物质纤维素酶解糖化过程(Green Chem.18(19),5133–5141)。同时DES溶剂预处理生物质脱木质素的可能机理也被研究(Green Chem,2020,22,1851–1858)，木质素的脱除主要是在酸性活性位点的作用下，木质素中的醚键会选择性的断裂，从而变成分子量较小的片段主要靠氢键作用溶解在DES溶剂中。因此目前报道的DES溶剂预处理体系中，醇类作为氢供体合成的DES溶剂预处理生物质的效果通常会比有机酸类作为氢供体合成的DES溶剂预处理效果更差。虽然酸性强的DES溶剂能够更好地催化木质素醚键断裂，但与此同时底物中纤维素也会发生降解导致含量降低，从而影响了纤维素的进一步利用。目前的研究更多是关注开发酸性强的DES体系，以更好地断裂木质素醚键提取更多的木质素，但是忽略了DES溶剂对木质素溶解能力的重要性，开发一种对木质素溶解能力更高的DES溶剂体系，以更多地提取木质素的同时更好地保留纤维素组分尤为重要。例如Kumar等人(Environ Sci Pollut Res(2016)23:9265–9275)使用氯化胆碱、甜菜碱和乳酸合成了不同的DES溶剂，虽然这种酸性DES溶剂体系对秸秆中的木质素(去除率约60％)有很好的提取效果，但由于残留的DES溶剂影响了纤维素酶的活性，在预处理底物酶解糖化的过程中表现出的酶解效率不高，仅达到了35％。而Xu使用的氯化胆碱/甲酸DES溶剂预处理玉米秸秆虽然表现出较高的木质素去除率和酶解效率，但是预处理过程中纤维素流失严重。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种酸性低共熔(DES)溶剂的制备方法，以含苯环的季铵盐作为氢受体和/或含苯环的有机酸作为氢供体合成酸性低共熔溶剂。
本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种酸性低共熔(DES)溶剂。
本发明的再一目的在于提供上述一种酸性低共熔(DES)溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用。在常压及低温条件下，对秸秆进行短时间预处理，可高效分离秸秆组分，提取木质素并保留纤维素组分，同时提高秸秆酶解糖化效率。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种酸性低共熔(DES)溶剂的制备方法，包括以下步骤：
以季铵盐作为氢受体，有机酸作为氢供体，将氢受体和氢供体混合，在60～100℃下搅拌反应，直至溶液呈透明即得到酸性低共熔溶剂，其中氢受体和/或氢供体含苯环。
优选的，所述氢受体和氢供体的摩尔比为2:1～1:2。
优选的，所述季铵盐为苄基三甲基氯化铵、苄基三乙基氯化铵和烯丙基三苯基溴化膦中的至少一种，所述有机酸为草酸或含苯环有机酸，所述含苯环有机酸为对甲苯磺酸、2-苯基丙酸和苯丙酸、苯磺酸中的至少一种。
优选的，所述搅拌反应的时间为0.5～1h。
所述处理秸秆用酸性低共熔溶剂在常压下合成，无需纯化，直接使用。
上述方法制得的一种酸性低共熔溶剂。
上述一种酸性低共熔溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用，包括以下步骤：
(1)秸秆预处理：将秸秆和上述酸性低共熔溶剂混合均匀，在常压条件下，于50～160℃反应0.5～2h，冷却至室温，加乙醇稀释后固液分离，得到固体组分为富含纤维素的秸秆残渣，液体组分为含木质素及其他降解产物的DES组分；
(2)将步骤(1)的液体组分去除乙醇，再加水沉淀出溶解在DES溶剂中的木质素，抽滤后将滤渣冷冻干燥得到木质素粉末，将滤液蒸发浓缩回收酸性低共熔溶剂；
(3)将步骤(1)的固体组分洗涤，干燥，得到秸秆残渣；
(4)酶解糖化：在步骤(3)的秸秆残渣中加入纤维素酶，再加入缓冲液和四环素，酶解糖化，得到酶水解液。
优选的，步骤(1)所述秸秆和酸性低共熔溶剂的质量比为1:10～1:20。
优选的，步骤(1)所述反应温度为80～100℃。
优选的，步骤(1)所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、蔗渣和芒草中的至少一种。
优选的，步骤(2)所述液体组分通过旋蒸去除乙醇；所述抽滤为真空抽滤。
优选的，步骤(3)所述洗涤指用60～90％体积分数的乙醇水溶液洗涤3～5次。
优选的，步骤(4)所述纤维素酶的酶载量为5～15FPU/g-glucan。
优选的，步骤(4)所述纤维素酶为CTech 2代商业纤维素酶。
优选的，步骤(4)所述缓冲液为pH 5.0、离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液，加入缓冲液使秸秆残渣质量分数为2～10％。
优选的，步骤(4)所述酶解糖化的温度为30～60℃，时间为24～72h，转速为50～200rpm。
优选的，步骤(4)所述四环素的体积与秸秆残渣的质量比为50μL：1g～200μL：1g。
所述步骤(4)酶解糖化中加入四环素以抑制细菌的滋生，保证酶水解产生的葡萄糖不被消耗，得到的酶水解液中葡萄糖含量通过生物传感分析仪(SBA-40E，山东省生物科学研究院)测定，酶解效率由底物中被分解的纤维素占总纤维素含量计算得出。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、采用本发明所述酸性低共熔溶剂预处理秸秆，可以在较短的时间内和较低的温度下实现对秸秆中木质素的高效脱除，木质素去除率达到75～84％，纤维素的保留率达到了90％。
2、采用本发明所述酸性低共熔溶剂预处理秸秆，得到的秸秆残渣酶解效率为71～89％。
3、本发明采用含苯环的季铵盐作为氢受体和/或含苯环的有机酸作为氢供体制备DES溶剂，所得DES溶剂可增强对木质素的溶解能力，在提供适当强度的酸性位点催化木质素化学键断裂脱除木质素的同时获得了较高的纤维素保留率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例和对比例中所述纤维素酶均为CTech 2代商业纤维素酶。
实施例1
(1)酸性低共熔溶剂的合成：将苄基三甲基氯化铵和草酸按照摩尔比例1:1混合，在60℃下不断加热搅拌反应1h，直至溶液呈透明状态即得到酸性低共熔溶剂。
(2)玉米秸秆预处理：将5g玉米秸秆和50g步骤(1)中的酸性低共熔溶剂按照混合均匀，在常压条件下，以温度100℃反应2h，反应结束后冷却至室温，加入120mL乙醇溶液稀释后固液分离，得到的固体组分为富含纤维素的玉米秸秆残渣，得到的液体组分为溶解了木质素及其他降解产物的DES组分。
(3)将步骤(2)得到的液体组分通过旋蒸回收乙醇后，加入150mL去离子水沉淀出溶解在DES溶剂中的木质素，真空抽滤后将滤渣冷冻干燥得到木质素粉末，将滤液蒸发浓缩后得到可回收的酸性低共熔溶剂。
(4)将步骤(2)得到的固体组分使用90％体积分数的乙醇水溶液洗涤3次，干燥后置于4℃的冰箱中保存备用。
(5)酶解糖化：取步骤(4)中得到的玉米秸秆残渣(葡聚糖含量为68.3％)干重0.6g，加入酶载量为15FPU/g-glucan的纤维素酶，再加入pH 5.0、离子强度50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液使秸秆残渣质量分数为2％，加入四环素50μL，在50℃下以150rpm的转速酶解糖化72h，得到酶水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖浓度。
得到的酶水解液中葡萄糖含量通过生物传感分析仪(SBA-40E，山东省生物科学研究院)测定，酶解效率由底物中被分解的纤维素占总纤维素含量计算得出。结果表明木质素去除率为75.8％，纤维素保留率为92.6％，72h酶解糖化效率为71.3％。
实施例2
(1)酸性低共熔溶剂的合成：将苄基三甲基氯化铵和对甲苯磺酸按照摩尔比例1:1混合，在80℃下不断加热搅拌反应0.5h，直至溶液呈透明状态即得到酸性低共熔溶剂。
(2)玉米秸秆预处理：将5g玉米秸秆和50g步骤(1)中的酸性低共熔溶剂按照混合均匀，在常压条件下，以温度90℃反应0.5h，反应结束后冷却至室温，加入120mL乙醇溶液稀释后固液分离，得到的固体组分为富含纤维素的玉米秸秆残渣，得到的液体组分为溶解了木质素及其他降解产物的DES组分。
(3)将步骤(2)得到的液体组分通过旋蒸回收乙醇后，加入150mL去离子水沉淀出溶解在DES溶剂中的木质素，真空抽滤后将滤渣冷冻干燥得到木质素粉末，将滤液蒸发浓缩后得到可回收的酸性低共熔溶剂。
(4)将步骤(2)得到的固体组分使用90％体积分数的乙醇水溶液洗涤3次，干燥后置于4℃的冰箱中保存备用。
(5)酶解糖化：取步骤(4)中得到的玉米秸秆残渣(葡聚糖含量为70.0％)干重0.6g，加入酶载量为15FPU/g-glucan的纤维素酶，再加入pH 5.0、离子强度50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液使秸秆残渣质量分数为2％，加入四环素50μL，在50℃下以150rpm的转速酶解糖化72h，得到酶水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖浓度。
得到的酶水解液中葡萄糖含量通过生物传感分析仪(SBA-40E，山东省生物科学研究院)测定，酶解效率由底物中被分解的纤维素占总纤维素含量计算得出。结果表明木质素去除率为83.9％，纤维素保留率为90.6％，72h酶解糖化效率为89.2％。
实施例3
(1)酸性低共熔溶剂的合成：将苄基三甲基氯化铵和对甲苯磺酸按照摩尔比例1:1.5混合，在60℃下不断加热搅拌反应1h，直至溶液呈透明状态即得到酸性低共熔溶剂。
(2)玉米秸秆预处理：将5g玉米秸秆和50g步骤(1)中的酸性低共熔溶剂按照混合均匀，在常压条件下，以温度80℃反应0.5h，反应结束后冷却至室温，加入120mL乙醇溶液稀释后固液分离，得到的固体组分为富含纤维素的玉米秸秆残渣，得到的液体组分为溶解了木质素及其他降解产物的DES组分。
(3)将步骤(2)得到的液体组分通过旋蒸回收乙醇后，加入150mL去离子水沉淀出溶解在DES溶剂中的木质素，真空抽滤后将滤渣冷冻干燥得到木质素粉末，将滤液蒸发浓缩后得到可回收的酸性低共熔溶剂。
(4)将步骤(2)得到的固体组分使用90％体积分数的乙醇水溶液洗涤3次，干燥后置于4℃的冰箱中保存备用。
(5)酶解糖化：取步骤(4)中得到的玉米秸秆残渣(葡聚糖含量为67.8％)干重0.6g，加入酶载量为15FPU/g-glucan的纤维素酶，再加入pH 5.0、离子强度50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液使秸秆残渣质量分数为2％，加入四环素50μL，在50℃下以150rpm的转速酶解糖化72h，得到酶水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖浓度。
得到的酶水解液中葡萄糖含量通过生物传感分析仪(SBA-40E，山东省生物科学研究院)测定，酶解效率由底物中被分解的纤维素占总纤维素含量计算得出。结果表明木质素去除率为81.6％，纤维素保留率为89.1％，72h酶解糖化效率为87.6％。
实施例4
(1)酸性低共熔溶剂的合成：将苄基三甲基氯化铵和对甲苯磺酸按照摩尔比例1:2混合，在80℃下不断加热搅拌反应0.5h，直至溶液呈透明状态即得到酸性低共熔溶剂。
(2)玉米秸秆预处理：将5g玉米秸秆和50g步骤(1)中的酸性低共熔溶剂按照混合均匀，在常压条件下，以温度80℃反应0.5h，反应结束后冷却至室温，加入120mL乙醇溶液稀释后固液分离，得到的固体组分为富含纤维素的玉米秸秆残渣，得到的液体组分为溶解了木质素及其他降解产物的DES组分。
(3)将步骤(2)得到的液体组分通过旋蒸回收乙醇后，加入150mL去离子水沉淀出溶解在DES溶剂中的木质素，真空抽滤后将滤渣冷冻干燥得到木质素粉末，将滤液蒸发浓缩后得到可回收的酸性低共熔溶剂。
(4)将步骤(2)得到的固体组分使用90％体积分数的乙醇水溶液洗涤3次，干燥后置于4℃的冰箱中保存备用。
(5)酶解糖化：取步骤(4)中得到的玉米秸秆残渣(葡聚糖含量为68.3％)干重0.6g，加入酶载量为15FPU/g-glucan的纤维素酶，再加入pH 5.0、离子强度50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液使秸秆残渣质量分数为2％，加入四环素50μL，在50℃下以150rpm的转速酶解糖化72h，得到酶水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖浓度。
得到的酶水解液中葡萄糖含量通过生物传感分析仪(SBA-40E，山东省生物科学研究院)测定，酶解效率由底物中被分解的纤维素占总纤维素含量计算得出。结果表明木质素去除率为83.6％，纤维素保留率为88.7％，72h酶解糖化效率为84.5％。
对比例1
(1)低共熔溶剂的合成：将氯化胆碱和草酸按照摩尔比例1:1混合，在60℃下不断加热搅拌反应1h，直至溶液呈透明状态即得到低共熔溶剂。
(2)玉米秸秆预处理方法：将5g玉米秸秆和50g步骤(1)中的低共熔溶剂按照混合均匀，在常压条件下，以温度100℃反应2h，反应结束后冷却至室温，加入120mL乙醇溶液稀释后固液分离，得到的固体组分为富含纤维素的玉米秸秆残渣，得到的液体组分为溶解了木质素及其他降解产物的DES组分。
(3)将步骤(2)得到的液体组分通过旋蒸回收乙醇后，加入150mL去离子水沉淀出溶解在DES溶剂中的木质素，真空抽滤后将滤渣冷冻干燥得到木质素粉末，将滤液蒸发浓缩后得到可回收的低共熔溶剂。
(4)将步骤(2)得到的固体组分使用90％体积分数的乙醇水溶液洗涤3次，干燥后置于4℃的冰箱中保存备用。
(5)酶解糖化实验：取步骤(4)中得到的玉米秸秆残渣(葡聚糖含量为56.0％)干重0.6g，加入酶载量为15FPU/g-glucan的纤维素酶，再加入pH 5.0、离子强度50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液使秸秆残渣质量分数为2％，加入四环素50μL，在50℃下以150rpm的转速酶解糖化72h，得到酶水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖浓度。
得到的酶水解液中葡萄糖含量通过生物传感分析仪(SBA-40E，山东省生物科学研究院)测定，酶解效率由底物中被分解的纤维素占总纤维素含量计算得出。结果表明木质素去除率为58.3％，纤维素保留率为78.7％，72h酶解糖化效率为50.2％。
表1不同条件预处理秸秆效果
Figure BDA0002987840340000101
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种酸性低共熔溶剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
以季铵盐作为氢受体，有机酸作为氢供体，将氢受体和氢供体混合，在60～100℃下搅拌反应，直至溶液呈透明即得到酸性低共熔溶剂，其中氢受体和/或氢供体含苯环。
2.根据权利要求1所述一种酸性低共熔溶剂的制备方法，其特征在于，所述氢受体和氢供体的摩尔比为2:1～1:2。
3.根据权利要求1所述一种酸性低共熔溶剂的制备方法，其特征在于，所述季铵盐为苄基三甲基氯化铵、苄基三乙基氯化铵和烯丙基三苯基溴化膦中的至少一种，所述有机酸为草酸或含苯环有机酸，所述含苯环有机酸为对甲苯磺酸、2-苯基丙酸和苯丙酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述一种酸性低共熔溶剂的制备方法，其特征在于，所述搅拌反应的时间为0.5～1h。
5.权利要求1～4任一项所述方法制得的一种酸性低共熔溶剂。
6.权利要求5所述一种酸性低共熔溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将秸秆和权利要求5所述酸性低共熔溶剂混合均匀，在常压条件下，于50～160℃反应0.5～2h，冷却至室温，加乙醇稀释后固液分离，得到固体组分为富含纤维素的秸秆残渣，液体组分为含木质素及其他降解产物的DES组分；
(2)将步骤(1)的液体组分去除乙醇，再加水沉淀出溶解在DES溶剂中的木质素，抽滤后将滤渣冷冻干燥得到木质素粉末，将滤液蒸发浓缩回收酸性低共熔溶剂；
(3)将步骤(1)的固体组分洗涤，干燥，得到秸秆残渣；
(4)在步骤(3)的秸秆残渣中加入纤维素酶，再加入缓冲液和四环素，酶解糖化，得到酶水解液。
7.根据权利要求6所述一种酸性低共熔溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用，其特征在于，步骤(1)所述秸秆和酸性低共熔溶剂的质量比为1:10～1:20。
8.根据权利要求6所述一种酸性低共熔溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用，其特征在于，步骤(4)所述纤维素酶的酶载量为5～15FPU/g-glucan，所述纤维素酶为CTech 2代商业纤维素酶；
步骤(4)所述酶解糖化的温度为30～60℃，时间为24～72h，转速为50～200rpm。
9.根据权利要求6所述一种酸性低共熔溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用，其特征在于，步骤(4)所述缓冲液为pH 5.0、离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液，加入缓冲液使秸秆残渣质量分数为2～10％；
步骤(4)所述四环素的体积与秸秆残渣的质量比为50μL：1g～200μL：1g。
10.根据权利要求6所述一种酸性低共熔溶剂在预处理秸秆提高酶解效率中的应用，其特征在于，步骤(1)所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、蔗渣和芒草中的至少一种；步骤(2)所述液体组分通过旋蒸去除乙醇；所述抽滤为真空抽滤；步骤(3)所述洗涤指用60～90％体积分数的乙醇水溶液洗涤3～5次。
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