一种预处理木质纤维生物质提高其产糖率的方法技术

本发明专利技术提供一种使用离子液体与γ-戊内酯组成的混合溶剂溶解预处理木质纤维素生物质，提高其产糖率的方法。包括以下步骤：1)将离子液体、γ-戊内酯、木质纤维素生物质混合形成预溶解预处理体系；2)将预溶解混合物体系加热溶解，形成溶液；3)往溶液体系加入反溶剂，使溶解的木质纤维生物质沉淀、再生；4)取再生木质纤维素生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液。本发明专利技术利用生物基γ-戊内酯部分代替离子液体，组成混合体系，具有工艺简单，溶剂成本低，操作方便，溶剂可循环使用，经处理的木质纤维素里的纤维素、半纤维素具有酶水解速度快、产糖率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于绿色化学与生物质新能源生产
，具体涉及一种利用离子液体 与Y-戊内酯组成的混合溶剂溶解预处理木质纤维生物质提高其产糖率的方法。
技术介绍
随着煤、石油等传统能源的消耗以及全世界面临的能源危机，绿色可再生原料的 综合利用是实现社会可持续发展的必要手段。木质纤维生物质作为地球上分布最广和含量 最丰富的可再生生物质资源而备受人们的关注。木质纤维生物质是利用CO 2为原料，自然 界通过光合作用合成的，其主要成分为纤维素（35% -50% )、半纤维素（20% -40% )和木 质素（15% -25% )。如农业秸杆、木材、灌木等都为木质纤维生物质资源。 其中，纤维素是一种复杂的多糖，有8000至10000个葡萄糖残基通过β-1，4-糖 苷键连接而成。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和 六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。普遍认为，半纤维素和木质素通过共价键链接紧 紧的包围在高结晶度的纤维素周围，而使天然木质纤维素生物质在后续的直接化学转化或 生物转化过程中表现出较低的效率。通过对纤维素和半纤维素进行化学催化水解与酶解可 以制备重要的化工原料单糖，特别是葡萄糖。以葡萄糖为原料，通过化学催化方法与生物转 化方法可以制备一系列的能源化工产品，如生物乙醇、微生物油脂、丁醇、5-羟甲基糠醛等。 而传统上，葡萄糖主要来自淀粉。随着以葡萄糖为原料制备能源、化工产品技术发展，对葡 萄糖的供给提出了新的要求。而传统的以淀粉为原料制备葡萄糖，因为淀粉为食品资源，其 来源受到资源与政策的限制，因此，如何通过利用木质纤维素原料，高效制备糖受到了普遍 的关注。 而天然木质纤维素中的纤维素为高度结晶聚合物，由于其分子间与分子内部 强的氢键作用，使其不溶于传统的有机溶剂，对化学、生物催化剂的响应较低。为了获 得高的纤维素水解效率，必须要对天然木质纤维素进行预处理，以改变其晶体结构与物 理形态，同时选择性的去除木质素，提高相应化学催化剂、酶的可及度及催化效率。稀 酸预处理能够有效的破坏半纤维素的结构，但是会产生糠醛、羟甲基糠醛、乙酸等副 产物，影响后续转化利用（Bioresource Technology. 2011，102, 9705-9709;北京化工 大学学报（自然科学版）.2011，38, 87-91)。此外，还有气爆预处理（林产化学与工 业· 2009, 29, 33-38)、碱预处理（Biomass and Bioenergy. 2013, 51，35-42)、生物预处 理（Bioresource Technology. 2009, 100, 5170-5175)、氨爆预处理（Biotechnology for Biofuel. 2009, 2, 1-11)等预处理方法。虽然这些方法能够有效的破坏木质纤维素结构， 但是因为过程复杂、成本高、副产物多等原因，将会增加后续利用过程的复杂性和资本的投 入，不利于放大和规模化生产。 离子液体作为一种新兴的"绿色溶剂"，在预处理时对设备条件要求不高，不仅效 果好还能克服酸/碱预处理的缺点，而且可以重复利用、对环境无污染，因此具有十分巨 大的潜能，近年来已经被成功用于木质纤维素原料的预处理（Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2007, 55, 9142-9148 ;Green Chemistry. 2007, 9, 63)。中国专利 201110008782. X保护了一种利用离子液体预处理提高纤维素酶解产糖的方法。中国专利 201210144959. 3保护了一种提高木质纤维素酶水解率的预处理方法，也是利用离子液体为 溶剂。通过离子液体溶解纤维素、木质纤维素实现其预处理，可以显著提高其酶解效率，其 所用的离子液体液体价格昂贵，回收、纯化、循环利用成本高，大大了限制了该过程的经济 性能（Chemical Society Reviews. 2011，40, 1383-1403)。而且，利用纯离子液体作为预处 理溶剂时，需要对离子液体及木质纤维素原料进行干燥，导致能耗过高。 谢海波等研究发现，20 mol %的离子液体与有机溶剂组成的有机电解质 溶液，可以快速地溶解云杉热机械浆和农作物秸杆--玉米秸杆、稻壳等（Green Chemistry. 2012, 14, 1202-1210 ;Bioresource Technology, 2014, 153, 403-407)，且该预处 理工艺具有耐水性，不需对预处理溶剂和木质纤维素原料进行严格的干燥。然而，传统有机 溶剂的使用，虽然降低了体系的粘度和预处理成本，但依然存在环境不友好等潜在问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术人进行了大量的科学研究和创造性的工作，提 出了利用离子液体与Y-戊内酯组成混合溶液体系溶解预处理木质纤维素的方法，从而提 高木质纤维生物质酶解糖化效率。Y-戊内酯是通过生物基平台化合物乙酰丙酸通过氢化 而获得，为一新型生物基绿色溶剂。我们研究发现，当以一定摩尔比例混合一定结构的离子 液体和Y -戊内酯，该体系能非常高效的溶解天然木质纤维生物质，溶解再生过程中，天然 木质纤维生物质中纤维的晶体结构从纤维素 I型转变为纤维素 II型，同时伴随着木质素的 脱除。这一过程突破了天然木质纤维生物质制糖的两个重要障碍。 本专利技术采用如下技术方案： -种预处理木质纤维生物质提高其产糖率的方法，包括如下步骤： 1)将离子液体、Y -戊内酯、木质纤维生物质混合形成预溶解预处理体系； 2)将预溶解混合物体系加热溶解，形成溶液； 3)往溶液体系加入反溶剂，使溶解的木质纤维生物质沉淀，过滤分离； 4)取一定量的再生木质纤维生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶 解，获得糖溶液。 生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生 命的可以生长的有机物质通称为生物质。本专利技术专利所要求保护的是木质纤维生物质资 源，其成分特征是纤维素（35% -50% )、半纤维素（20% -40% )和木质素（15% -25% )。 如农业秸杆、木材、灌木等都为木质纤维生物质资源。代表性的木质纤维素生物质，有玉米 杆、花生杆、棉花杆、小麦杆、稻草、高粱杆、菊芋杆、花生壳、棉花壳、椰子壳、杨木、松木、桦 木等，但是不限于上述所举例子。同时，所选原料也可以是其中的一种或两种以上的混合 物。因为，利用不同木质纤维生物质的混合物为原料，并不影响本技术的预处理效能。 木质纤维生物质在自然界中以不同物理尺寸和形状存在，通过机械加工降低其物 理尺寸，可以大大提高其预处理效能和溶解预处理过程中的能量高效利用。基于此目的，本 专利技术专利，所用的木质纤维素原料具有如下特征：物理尺寸为〇. 1毫米至5毫米；含水质量 分数〈8 % ;可以更优选为物理尺寸为1毫米至2毫米；含水质量分数〈5%。 离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐。由 于离子液体本身所具有的许多传统溶剂所无法比拟的优点及其作为绿色溶剂应用于有机 及高分子物质的合成，因而受到越来越多的化学工作者的关注。离子液体种类繁多，改变阳 离子、阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预处理木质纤维生物质提高其产糖率的方法，其特征在于：它是按照如下步骤进行的：1)将离子液体、γ‑戊内酯、木质纤维生物质混合形成预溶解体系；2)将预溶解混合物体系加热溶解，形成溶液；3)往溶液体系加入反溶剂，使溶解的木质纤维生物质沉淀，过滤分离，收集再生木质纤维生物质；4)取再生木质纤维生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢海波，赵宗保，于雪，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21