一种超声波‑微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法技术

本发明专利技术属于木质纤维素类生物质的资源化利用技术领域，涉及一种利用超声波‑微波能量协同效应来辅助离子液体‑水混合体系对木质纤维素中木质素成分进行浸取，以提升其酶解效率的新方法。本发明专利技术的目的是提供一种环保、高效的木质纤维素预处理方法。与传统的离子液体预处理方法相比，本发明专利技术首次利用超声波与微波的协同能量来提升离子液体‑水混合体系对木质素的浸出率，增强纤维素酶与木质纤维素中纤维素组分的可及度，提升其酶解效率；本发明专利技术的方法在提升木质纤维素的酶解效率的同时，通过水的混入大幅降低了预处理过程中离子液体的用量，节约工艺成本。同时，本发明专利技术方法预处理时间短，条件温和、绿色，工艺简单。

Method of synchronous assisted ionic liquid pretreatment of lignocellulosic materials to improve the efficiency of enzymatic hydrolysis of an ultrasonic microwave

The invention belongs to the technical field of lignocellulosic biomass resource utilization, relates to a synergistic effect to assisted ionic liquid water mixture of lignocellulose in lignin composition leaching by ultrasonic microwave energy, a new method to improve the efficiency of enzymatic hydrolysis. The aim of the invention is to provide an environment friendly and efficient pretreatment method of lignocellulose. Compared with the traditional method of ionic liquid pretreatment, the invention first use of synergistic ultrasonic and microwave to enhance the ionic liquid water mixture in the leaching rate of wood, enhanced cellulase and lignocellulose cellulose components and, to enhance its enzymolysis efficiency; the method of the invention solution efficiency in ascension. Lignocellulose enzyme at the same time, through the water mixed with significantly reduced ionic liquid pretreatment in the process of consumption, saving cost. At the same time, the method of the invention has the advantages of short pretreatment time, mild condition, and simple process.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声波-微波同步协助离子液体-水的混合体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，属于木质纤维素类生物质的资源化利用

技术介绍
木质纤维素是地球上储量巨大的生物质资源，其主要来源有农作物秸秆、树木、能源植物及野草等。随着一系列环境及能源问题的涌现，可再生的木质纤维素已经成为人类重点开发及利用的能源资源。由于其能源利用率低及环境污染严重等问题，直接燃烧木质纤维素的传统利用形式，已逐渐被其他途径替代；目前，将木质纤维素类生物质通过生物法水解生成还原糖，再经微生物发酵获取燃料及其他化学品已成新的研究热点。酶水解木质纤维素制备还原糖工艺因环境友好、条件温和以及还原糖收率高而倍受青睐，然而木质纤维素内部紧密的天然晶体结构却阻碍了酶分子对底物的可及度，大大限制了酶解效率。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素构成；其中纤维素是由β-D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接而成，为链状多晶型聚合物；半纤维素由多种糖单元组成的化学结构非均一的多糖；木质素是由苯丙烷单元以C－C键和C－O－C醚键连接而成的无定型复杂的网状杂聚物；其中木质素是将木质纤维素主要组分连接在一起的“粘胶”，使其难溶于水，也正是由于木质素与半纤维素连结实现了对纤维素的包裹和缠绕作用，使其成为酶解和微生物降解的重要障碍。在生物炼制过程中，为了提高纤维素酶对木质纤维素水解的效率，需要对木质纤维素进行预处理以打破其致密结构，除去木质素等抑制组分，降低纤维素的结晶度，最大限度地提高酶与纤维素的接触效率。目前传统的预处理方法包括物理法、化学法、物理化学法和生物法，但多数存在环境污染大，生产效率低等缺点。作为一种新型绿色溶剂，离子液体是由有机阳离子和有机或无机阴离子构成的盐。离子液体对木质纤维素组分有良好溶解性能，且具有不挥发，环境污染小，可重复使用等优点，目前已在木质纤维素类生物质的预处理中得到广泛应用。该预处理工艺主要是利用离子液体的超强溶解能力，先将木质纤维素中的纤维素溶出，然后加入其他溶剂（反溶剂）使纤维素沉淀析出（再生），以破坏其晶体结构。然而，由于离子液体粘度大，会影响预处理过程中的传质、增加操作难度；同时成本过高也是离子液体预处理中存在的问题。目前已有的解决办法是在离子液体中添加水来降低粘度，强化传质，减少成本，但离子液体中的水的存在又会严重妨碍纤维素的溶解，故该溶解工艺对水含量要求甚为苛刻（通常需低于1%），这就必须对原料及离子液体进行长时间高温脱水处理，导致能耗过大，严重降低了该预处理工艺的经济可行性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：采用离子液体对木质纤维素进行预处理过程中，需要将离子液体中的水含量控制在极小范围，以促使纤维素溶解于离子液体中，过程中存在着对原料及离子液体进行长时间高温脱水处理，能耗大、成本高等问题。本专利技术所采用了一种与现有技术完全不同的技术构思，即不考虑离子液体对纤维素溶解性的问题，而直接采用对木质素具有较高溶解性的离子液体将木质素从纤维素中分离出，同时，利用加入较多的水来降低离子液体粘度、强化传质、降低成本，在这个过程中，辅以超声波-微波两种能量的叠加，有效去除木质纤维素中的木质素，能够增强纤维素酶对纤维素的水解效率，显著提高可发酵的还原糖（葡萄糖及木糖）收率；并且在预处理后，也同时避免了常规技术中需要将离子液体中的纤维素再用反溶剂再次提取的问题，直接将处理后的固体物送入酶解工序即可。具体的技术方案是：一种超声波-微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，包括如下步骤：第1步，木质纤维素类原料加入至离子液体与水的混合溶液中，在外加微波/超声场的作用下，进行加热处理；将固体物滤出后，经过洗涤、烘干，得到预处理后的木质纤维素；第2步，将第1步得到的木质纤维素经过酶解处理，得到以还原糖葡萄糖与木糖为主要成分的糖化液。在一个实施方式中，所述的第1步中，采用的离子液体是指对木质素具有较好溶解性、对纤维素具有较低溶解性的离子液体。在一个实施方式中，所述的离子液体是指[胆碱][鸟氨酸][Cho][Orn]，其具有如下所示的结构：在一个实施方式中，离子液体与水的混合溶液中，离子液体所占质量百分比范围是25～99.9wt%，更优选是45～55wt%。在一个实施方式中，木质纤维素类原料为农作物秸秆、林木、竹木、野生草本、能源作物或者是它们的混合物，其原料粒径范围为0.1～5cm。在一个实施方式中，木质纤维素类原料与混合溶液质量比为1:5～1:25。在一个实施方式中，微波功率15～1000W，微波频率1500～3000MHz。在一个实施方式中，超声波功率200～1000W，超声波频率15～30KHz。在一个实施方式中，酶解是在预处理后的木质纤维素加入适量的纤维素酶进行酶解糖化反应。在一个实施方式中，酶解过程是将预处理后的木质纤维素按照固液比为1～10mg/mL与柠檬酸盐缓冲液混合，再加入纤维素酶，在150～250r/min搅拌转速、35～65℃温度下，反应1～72小时。在一个实施方式中，向料液中加入纤维素酶量为5～1000U/g底物。在一个实施方式中，所述纤维素酶是市售的各种商品化酶制剂或微生物直接发酵得到的酶液。有益效果本专利技术首先提供了一种离子液体-水混合体系预处理木质纤维素的新方法，已有的同类预处理体系通常为对纤维素具有较高溶解能力的纯的离子液体，比如咪唑基离子液体。本专利技术不需要考察离子液体对纤维素的溶解能力，只专注其木质素的浸取效果，首次引入了[胆碱][鸟氨酸]-水的混合体系作为预处理溶液，并且最好同时采用对纤维素具有较低溶解能力的离子液体，避免纤维素的损失，同时利用超声波-微波同步发生系统作为辅助条件，不仅解决预处理过程中纯离子液体粘度高导致的传质慢及操作难度大等问题，且混合体系预处理有效的打破了纤维素与木质素的链接键，去除木质素或半纤维素，使纤维素暴露出来，增加纤维素酶对底物的可及度，明显的提高了木质纤维素的酶解效率，降低了离子液体的用量，节约资源降低成本；同时，所采用的离子液体具有环境友好型的特点。本专利技术同时首次利用超声波-微波协同能量场来增强溶液处理木质纤维素的效果。本专利技术的效果和益处是：在超声波和微波无干扰结合的工作站中，两种能量的协同处理使超声振荡和波空化作用效果达到更好地组合，能增强离子液体对木质纤维素的润湿和溶胀作用，使木质纤维素结构变的松散，机械强度减弱，提高了离子液体对木质素的溶出分离效果，同时离子液体溶液能更好的进入木质纤维素内部，打破木质素和半纤维素对纤维素的束缚，纤维素酶与纤维素有更大的接触面积，在将固体物分离出并应用于后续的酶解反应中，可以促进酶水解进行，获得更高的还原糖产率。超声波-微波协同预处理技术能够节省时间，无需高温，条件温和，操作简单，绿色环保，成本低，后续处理简单。具体实施方式通过实施例和对比例子进一步说明本专利技术实施方式和所产生的预处理效果，但本专利技术的保护范围并不限于实施例所列的内容。下述实施例为本专利技术的较优实施方式，但专利技术的实施方式不受上述事实例的限制，其他的任何未背离本专利技术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，都包含在本专利技术的保护范围之内。实施例1：利用[Cho][Orn]对稻草秸秆预处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波‑微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：第1步，木质纤维素类原料加入至离子液体与水的混合溶液中，在外加微波‑超声场的作用下，进行加热处理；将固体物滤出后，经过洗涤、烘干，得到预处理后的木质纤维素；第2步，将第1步得到的木质纤维素经过酶解处理，得到以还原糖葡萄糖与木糖为主要成分的糖化液。

【技术特征摘要】
1.一种超声波-微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：第1步，木质纤维素类原料加入至离子液体与水的混合溶液中，在外加微波-超声场的作用下，进行加热处理；将固体物滤出后，经过洗涤、烘干，得到预处理后的木质纤维素；第2步，将第1步得到的木质纤维素经过酶解处理，得到以还原糖葡萄糖与木糖为主要成分的糖化液。2.根据权利要求1所述的超声波-微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，其特征在于，所述的第1步中，采用的离子液体是指对木质素具有较好溶解性、对纤维素具有较低溶解性的离子液体。3.根据权利要求1所述的超声波-微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，其特征在于，所述的离子液体是指[胆碱][鸟氨酸][Cho][Orn]，其具有如下所示的结构：。4.根据权利要求1所述的超声波-微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，其特征在于，离子液体与水的混合溶液中，离子液体所占质量百分比范围是25～99.9wt%，更优选是45～55wt%。5.根据权利要求1所述的超声波-微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，其特征在于，木质纤维素类原料为农作物秸秆、林木、竹木、野生草本、能源作物...

【专利技术属性】
技术研发人员：许家兴，高文华，徐继明，周守勇，赵宜江，夏军，刘晓燕，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，南京先欧仪器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32