CN114774494B - 催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法 - Google Patents

催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，属于清洁分离与转化技术领域。本发明首先在较为温和的水热条件下将半纤维素溶出，主要为低聚木糖；然后将残渣进行超短时球磨，再进行纤维素酶解糖化，固液分离获得高芳基醚键木质素和可发酵葡萄糖。该方法可以实现木质纤维生物质全组分(纤维素、半纤维素和木质素)的分离，制备高得率的低聚木糖，有效增强纤维素酶解转化效率，同时获得具有结构完整、高芳基醚键的木质素，其中β‑O‑4键的含量可以达到90％以上。该方法成本低廉，操作简单，环境友好，具有良好的推广潜力和工业化价值。

Description

催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和 葡萄糖的方法
技术领域
本发明属于生物质清洁分离与转化技术领域，尤其涉及一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法。
背景技术
近年来，随着二氧化碳排放量的增加和化石燃料的消耗，源自木质纤维素生物质的可再生生物燃料和平台化学品已经占据了领先地位。木质纤维素生物质是地球上最丰富的可再生资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分组成。其中，将这三个主要组成部分转化为增值产品，以抵消生物炼制过程的成本是一个理想的策略。木质纤维素转化为燃料或者化学品通常需要经过预处理、糖化和发酵三个步骤，而预处理可以通过选择性分离生物质组分和破坏细胞结构来降低“生物质抗降解屏障”，进而提高纤维素的高效糖化。水热预处理具有成本低、催化剂的使用限制小以及可持续和环境友好等众多优势。此外，水热预处理能够将半纤维素直接溶解成其糖类(木糖)，从而合成具有工业价值的副产物，如低聚木糖、糠醛和5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、乙酸和甲酸。此外，可以使用酸性催化剂来促进半纤维素的溶解，从而显著提高纤维素的可及性和酶解率。其中，与有机酸相比，无机酸如硫酸，盐酸等酸性较强，会造成严重的设备腐蚀性，且成本高。使用有机酸如乙酸作为生物催化剂时，在后续发酵中可以用作基质增加丁酸的生产，而不是像其它常用的酸一样丢弃，避免废物产生。
然而仅采用一种预处理方法很难实现木质纤维生物质的高效转化。乙酸催化水热预处理木质纤维生物质可以获得较高的低聚木糖产量，但纤维素的酶解转化率仍然较低，并且木质素没有得到很好的利用。对于木质素的利用而言，预处理过程中分离的木质素的质量、品质和结构是木质素高值化利用的关键因素。现有的大规模生物质利用工业(制浆和溶解浆等产业)在生产目标产品(纸浆和溶解浆)的同时均不可避免地造成木质素组分原始结构发生显著的破坏、缩合或者降解，导致原本木质素结构中活性高、易断裂的β-O-4联接键发生了不可逆转的“断键-再缩合”反应，进而形成了化学性能稳定、难以后续高值化利用的工业木质素。
此外，现有的绝大部分基于燃料乙醇的预处理仅利用纤维素组分酶水解获得葡萄糖进而发酵获得乙醇，而半纤维素和木质素在预处理和发酵过程中存在结构破坏严重和分离提纯转化困难等问题，使得燃料乙醇的经济性一直是制约整个木质纤维生物炼制工业化的主要瓶颈。近期木质素催化降解研究广泛证明，木质素降解单体芳香族化合物的产率和原料木质素中的β-O-4键之间存在强相关性，因此在预处理过程中尽可能保留木质素的绝大部分β-O-4键对于木质素后续制备高产率芳基化合物具有重要的意义。
因此，开发一种预处理方法，以实现木质纤维素生物质全组分的高效转化就成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法。
具体地，本发明针对当前大部分预处理方法均存在环境污染，成本高，对半纤维素和木质素结构造成不同程度破坏等问题，提出一种催化水热耦合短时球磨制备低聚木糖的方法；
针对当前单纯水热预处理后难以实现木质素和纤维素的同时分离，且结构保存完整问题，提出一种催化水热耦合短时球磨制备高得率低聚木糖，并分离高芳基醚键木质素的方法；
针对当前单纯水热预处理后纤维素酶解糖化效率低的问题，提出一种催化水热耦合短时球磨制备高得率葡萄糖的方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括以下步骤：
1)将木质纤维生物质与稀酸溶液混合均匀，得混合物；
2)将步骤1)中的混合物在反应釜中进行水热反应，得到预处理混合溶液；
3)将步骤2)中的预处理混合溶液冷却后固液分离，得到固相残渣和液相组分；
4)将步骤3)中液相组分取一定量加入乙醇再生分离得到半纤维素，另一部分冷冻待后续检测；
5)将步骤3)中固体残渣进行短时球磨处理，将处理后样品进行酶解糖化；
6)将步骤5)中酶解后混合物进行固液分离，得到固相残渣木质素组分和液相葡萄糖组分。
值得说明的是，本发明因机械预处理可以降低纤维素的粒径和结晶度，增加底物的比表面积，从而提高其酶解转化率。同时，由于反应条件较为温和，可以在提高酶解糖化效率的同时得到高纯度且结构较为完整的残渣木质素。目前，球磨可以有效地减小生物质的粒径，疏松其内部结构，在提高生物质酶解效率方面具有很大的潜力。因此，将球磨与乙酸催化水热预处理相结合是一种很有前途的绿色策略，可以以绿色高效的方式将生物质完全转化为单个组分(低聚木糖、葡萄糖和高芳基醚键木质素)。
本发明公开的操作方法不仅反应时间短、效率高、对半纤维素的选择性强。而且，此方法可显著提高酶解转化率，进而获得高产可发酵葡萄糖。同时，酶解效率的提高也有利于分离纯度更高的残渣木质素，可以很好地代表植物细胞壁中的原本木质素结构。
优选的，步骤1)中木质纤维生物质为阔叶木原料中的一种或多种，优选速生杨木、桉木、桦木或其他树种。
需要说明的是，杨木、桉木、桦木均属于阔叶材，且基于阔叶材组分和结构的相似性而可类推除杨木外的其他树种。
优选的，所述稀酸溶液为乙酸，所述稀酸溶液的浓度为0.1～10％。
进一步优选的，步骤1)中，所述混合物的固液比为1：5～1：20。
优选的，步骤2)中，水热反应预处理的温度为150℃～180℃，时间为30～120min。
优选的，步骤4)中，加入乙醇比例为5:1。
再者，需要说明的是，步骤3)中获得的液体里边含有半纤维素的不同形式降解产物，单糖，低聚糖和大分子半纤维素，但本发明只关注低聚糖，这一步加入乙醇的不属于核心步骤，只是为了分析里边的半纤维素产物结构而采用的。
也即，步骤4)操作具体为：将步骤3)中液相组分直接通过离子色谱分析低聚糖得率，同时部分进行冷冻干燥得到固体产物，以备后续检测。
优选的，步骤5)中，球磨处理的转速为400～500rpm，时间为2～20min。
进一步优选的，所述酶解糖化的工艺参数为：酶活为5～15FPU/g，底物浓度为2％～5％，时间为6～72h，温度为50℃。
酶解时的酶剂量对后续纤维素酶解转化有明显影响，如果酶解不彻底(酶加量低如5和10)，则纤维素转化率低，木质素中碳水化合物也多，纯度不够。
与现有技术相比，本发明优点在于：
本发明公开的方法可以实现木质纤维生物质全组分(纤维素、半纤维素和木质素)的分离，制备高得率的低聚木糖，有效增强纤维素酶解转化效率，同时获得高芳基醚键的木质素。该方法成本低廉，操作简单，环境友好，具有良好的推广潜力和工业化价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为木质素组分二维核磁谱图。
图2为本发明一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法工艺流程图。
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。
实施例1
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的杨木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为150℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，5min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理。
实施例2
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的桉木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为160℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，5min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理。
实施例3
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的杨木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为170℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，5min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理。
实施例4
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的杨木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为180℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，5min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理。
实施例5
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的桉木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为150℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，10min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理，并进行固液分离。
实施例6
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的杨木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为160℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，10min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理，并进行固液分离。
实施例7
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的桦木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为170℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，10min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理，并进行固液分离。
实施例8
一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，包括下述步骤：
(1)准备粒径在40～60目的杨木原料。
(2)配置0.5％的乙酸溶液，取杨木原料与乙酸溶液，以固液比为1：10搅拌制得混合体系。
(3)将混合体系转移至反应釜中进行水热处理，反应温度为180℃，处理时间为60min。
(4)将得到的预处理混合溶液冷却后进行固液分离，得到固相纤维素残渣和液相组分(主要为低聚木糖)；将液相组分浓缩后静置30min，加入乙醇水中再生分离得到半纤维素组分；将固体组分置于球磨罐中，在500rpm，10min条件下进行球磨处理；将球磨后样品在酶活15FPU/g，2％底物浓度，50℃条件下反应48h，进行酶解糖化处理，并进行固液分离。
对上述实施例1-8进行测定及计算，包括半纤维素脱除率、低聚木糖得率、纤维素酶解糖化性能、木质素芳基醚键含量，具体如表1所述：
表1.不同处理条件下的低聚糖得率，酶解转化效率和木质素中芳基醚键含量
其中，木质素芳基醚键含量由图1定量计算得到(连接键相对比例)。
且，由上述表1数据可知，因本发明的重点参数是低聚糖的得率、酶解转化率和木质素芳基醚键含量，而通过本发明公开的方法能够获得不同得率低聚糖，且由实施例2和实施例6得率最高，其可作为筛选依据进行后续球磨的条件；
再者，酶解转化率代表的是纤维素的转化效率，数值越高既能说明处理效果越好，又能说明后面的残渣木质素含糖量越低，纯度越高。
以及，木质素芳基醚键含量越高，则代表木质素结构保留越完整，基于现有木质素催化降解领域的共识(木质素降解产物得率和芳基醚键含量呈正相关)，说明此类木质素有利于后续的催化氢解制备小分子芳环化合物。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将粒径为40-60目的木质纤维生物质与稀酸溶液混合均匀，得混合物；
2)将步骤1)中的混合物在反应釜中进行水热反应，得到预处理混合溶液；
3)将步骤2)中的预处理混合溶液冷却后固液分离，得到固相残渣和液相组分；
4)将步骤3)中液相组分取一定量加入乙醇再生分离得到半纤维素，另一部分冷冻待后续检测；
5)将步骤3)中固体残渣进行短时球磨处理，将处理后样品进行纤维素酶解糖化；
6)将步骤5)中酶解后的混合物进行固液分离，得到残渣木质素组分和液体葡萄糖组分；
步骤1)中，所述混合物的固液比为1：5～1：20，木质纤维生物质为阔叶木原料中的一种或多种；所述稀酸溶液为乙酸溶液，及所述稀酸溶液的浓度为0.1～10％；
所述步骤2)中，水热反应预处理的温度为150℃～180℃，时间为30～120min；
所述步骤5)中，球磨处理的转速为500rpm，时间为10min；
所述酶解糖化的工艺参数为：酶活为5～15FPU/g，底物浓度为2％～5％，时间为6～72h，温度为50℃。
2.根据权利要求1所述的一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，其特征在于，步骤1)中木质纤维生物质为速生杨木、桉木、桦木或其他阔叶材树种。
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CN113481260A (zh) * 2021-07-23 2021-10-08 南京林业大学 一种组合预处理木本原料联产低聚木糖和葡萄糖的方法

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