一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法技术

本发明专利技术提供一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，涉及农林生物质资源利用和处理技术领域。该方法首先以含碱性基团且含磺酸阴离子基的双功能化离子液体为溶剂，在一定温度下对原生生物质进行预处理一定时间后，经过滤分离和清洗得到残渣，干燥后即得到预处理后的原生生物质。以处理后的原生生物质为底物，利用纤维素酶对其进行酶解，最后得到以葡萄糖和木糖为主的糖液。本发明专利技术不仅能有效增强原生生物质的酶解效率，提高了可发酵的还原糖收率，而且相对于传统有机溶剂等体系安全无毒、对实验设备要求低，离子液体可循环利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农林生物质资源利用和处理
，专利技术一种双功能化离子液体预处理原生生物质提高酶解效率的新方法。
技术介绍
随着石油和煤炭等不可再生资源的短缺和价格的上升，以及人们对环境污染的关注，使得仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的生物质能源而备受关注。生物质能源作为一种洁净而又可再生的能源，是唯一可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。生物质作为低品位的能源形式，将其转化为高品位的液体燃料，是生物能源领域最为重要的研究方向。在木质纤维素的转化过程中，基于糖平台的生物转化技术由于反应条件温和、环境友好等优点备受青睐。木质纤维素原料由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而木质素具有的网状结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素[BioresourceTechnology,1996,55(1):1-33]。木质素的网状结构和纤维素的结晶度等对纤维素的水解糖化均会产生很大的影响，在生物利用纤维素的过程中，为使微生物更易于利用纤维素，必须对基质进行预处理，以降解木质素的网状结构，提高对纤维素的利用效率[BiotechnologyandBioengineering,1995,45(4):328-336]。传统的生物质前处理方法如：酸预处理、碱预处理、汽爆法、热水预处理、氨爆法，但是由于这些方法都存在固有的缺点，例如酸预处理方法容易产生微生物发酵抑制物，增加了后续处理的难度，此外，稀酸对预预处理装置的腐蚀性也是制约其工业化的重要因素之一；碱处理难以破坏木质纤维素的结晶度，与无定形纤维素相比，其酶解时间仍较长；蒸汽爆破法对设备要求较高，设备投入大，制约了规模化应用。近年来，离子液体以其独特的优势，成为生物质前处理体系的优良选择[Chem.Commun.,2011,47:1405-1421]。与传统的化学溶剂相比，离子液体具有以下特点：(1)极低的蒸气压，不容易挥发；(2)具有较宽的液程范围(从低于或接近室温到300℃)、较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口；(3)通过设计阴阳离子，可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性。目前对于离子液体在生物质前处理领域的应用，主要是应用离子液体的超溶解能力，将尽可能多的木质素从生物质中提取或者是分离出来，因为木质素的存在一方面是网状结构阻碍的微生物接近纤维素以及半纤维素，另一方面木质素会造成酶的无效吸附，使得酶活降低和酶解成本升高[ChemSusChem,2013,6(5):919–927]。但是在移除木质素的同时希望尽可能多的保留纤维素和半纤维，这样有利于更有效的利用生物质中的纤维素和半纤维素。从已有的研究成果上看，1,3-dimethylimidazoliummethylsulfate(MMimMeSO4)[J.WoodChem.Technol.,2007,27,23–33],1-butyl-3-methylimidazoliummethylsulfate(BmimMeSO4)[J.WoodChem.Technol.,2007,27,23–33],1-butyl-3-methylimidazoliumacesulfamate(BmimAce)[GreenChem.,2011,13,3124-3136],1-ethyl-3-methylimidazoliumacesulfamate(EmimAce)[GreenChem.,2011,13,3124-3136]and1-ethyl-3-methylimidazoliumxylenesulfonate(EmimABS)[GreenChem.,2009,11,339–345]。含磺酸阴离子基的离子液体对木质素显示出更好的溶解以及提取效果，但是由于离子液体很容易吸水，而磺酸阴离子基在有水以及加热的条件下，很溶液水解成酸性基团，这样纤维素和半纤维素在酸性条件下容易发生降解。而本专利技术提供了一种双功能化离子液体预处理原生生物质提高酶解效率的新方法，把碱性基团和磺酸基团相结合的双功能化离子液体可以有效的去除木质素而又尽可能多的保留纤维素和半纤维素。并且相对于传统的预处理方法，处理条件温和，对实验设备要求低，并且离子液体可循环等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，本专利技术采用以下技术方案：(1)原生生物质经干燥、粉碎，其平均粒径控制在20-200目；(2)以双功能化离子液体为预处理溶剂，按着生物质和离子液体的质量比为1:2.5～25混合生物质和离子液体，于室温～200℃下搅拌0.5～36h，然后冷却至室温，加入2～10倍离子液体体积的水，过滤，洗涤滤渣，干燥后获得预处理后的生物质；(3)按着固液比为1～10mg/ml称取预处理后的生物质原料加入到柠檬酸盐缓冲液中，再按着5～30FPU/g预处理后的生物质的比例加入纤维素酶，在100-300r/min，40-60℃下反应，酶解时间为0.5-100h，溶液中葡萄糖收率远远大于未经处理的生物质原料所产生的葡萄糖量。所述双功能化离子液体为含磺酸阴离子基但不含氟的-CHxSO3-阴离子，其中x＝0，1或2；且磺酸阴离子基含碱性基团。所述碱性基团为-NHx，其中X＝0,1或2。所述含磺酸阴离子基的离子液体：优选的含磺酸阴离子基的碱性离子液体的阴离子结构如下所示:M1和M2是分别独立的，-H，-CH3，-C2H5，C3-C16直链或带支链的烷烃、烯烃，芳烃，单取代芳烃，二取代芳烃以及多取代芳烃；n为1或2；X为-H，-CH3、-C2H5，C3-C8直链或带支链的烷烃、烯烃，芳烃，单取代芳烃，二取代芳烃以及多取代芳烃。所述含磺酸阴离子基的离子液体：所述的阴离子优选为[Et2NC3SO3],[Et2NC4SO3],[Me2NC4SO3],[Me2NC3SO3],[n-BuNHC3SO3],[n-BuNHC4SO3],[n-HeNHC3SO3],[i-PrNHC3SO3],[i-PrNHC4SO3],[i-BuNHC3SO3],[i-BuNHC4SO3],[MeNHC4SO3],[MeNHC3SO3],[EtNHC4SO3]或[EtNHC3SO3]。所述含磺酸阴离子基的离子液体：所述的含磺酸阴离子基的离子液体的阳离子为咪唑类有机阳离子、吡啶类有机阳离子、哌啶类有机阳离子、吡咯类有机阳离子、季铵盐类有机阳离子、季磷盐类有机阳离子或胆碱类有机阳离子。所述咪唑类有机阳离子结构通式为：吡啶类有机阳离子结构通式为：哌啶类有机阳离子结构通式为：吡咯类有机阳离子结构通式为：季铵盐类有机阳离子结构通式为：季磷盐类有机阳离子结构通式为：胆碱类有机阳离子结构为：其中，R1-R6是分别独立的，-CH3，-C2H5或者是C3-C6直链或带支链的烷烃或烯烃；R7-R10是分别独立的，-CH3，-C2H5或者是C3-C15直链或带支链的烷烃或烯烃。所述含磺酸阴离子基的离子液体：阳离子优选为四甲基胺(Me4N)，四乙基胺(Et4N)，四丁基胺(Bu4N)，1-甲基-3-乙基咪唑(Emim)，胆碱(Ch)。所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于该方法按照以下步骤进行：(1)原生生物质经干燥、粉碎，其平均粒径控制在20‑200目；(2)以双功能化离子液体为预处理溶剂，按着生物质和离子液体的质量比为1:2.5～25混合生物质和离子液体，于室温～200℃下搅拌0.5～36h，然后冷却至室温，加入2～10倍离子液体体积的水，过滤，洗涤滤渣，干燥后获得预处理后的生物质；(3)按着固液比为1～10mg/ml称取预处理后的生物质原料加入到柠檬酸盐缓冲液中，再按着5～30FPU/g预处理后的生物质的比例加入纤维素酶，在100‑300r/min，40‑60℃下反应，酶解时间为0.5‑100h，溶液中葡萄糖收率远远大于未经处理的生物质原料所产生的葡萄糖量。

【技术特征摘要】
1.一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于该方法按照以下步骤进行：(1)原生生物质经干燥、粉碎，其平均粒径控制在20-200目；(2)以双功能化离子液体为预处理溶剂，按着生物质和离子液体的质量比为1:2.5～25混合生物质和离子液体，于室温～200℃下搅拌0.5～36h，然后冷却至室温，加入2～10倍离子液体体积的水，过滤，洗涤滤渣，干燥后获得预处理后的生物质；(3)按着固液比为1～10mg/ml称取预处理后的生物质原料加入到柠檬酸盐缓冲液中，再按着5～30FPU/g预处理后的生物质的比例加入纤维素酶，在100-300r/min，40-60℃下反应，酶解时间为0.5-100h，溶液中葡萄糖收率远远大于未经处理的生物质原料所产生的葡萄糖量。2.根据权利要求1所述的一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于：所述双功能化离子液体为含磺酸阴离子基但不含氟的-CHxSO3-阴离子，其中x＝0，1或2；且磺酸阴离子基含碱性基团。3.根据权利要求2所述一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于：所述碱性基团为-NHx，其中X＝0,1或2。4.根据权利要求2所述的一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于含磺酸阴离子基的离子液体：优选的含磺酸阴离子基的碱性离子液体的阴离子结构如下所示:M1和M2是分别独立的，-H，-CH3，-C2H5，C3-C16直链或带支链的烷烃、烯
\t烃，芳烃，单取代芳烃，二取代芳烃以及多取代芳烃；n为1或2；X为-H，-CH3、-C2H5，C3-C8直链或带支链的烷烃、烯烃，芳烃，单取代芳烃，二取代芳烃以及多取代芳烃。5.根据权利要求2所述的一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于含磺酸阴离子基的离子液体：所述的阴离子优选为[Et2NC3SO3],[Et2NC4SO3],[Me2NC4SO3],[Me2NC3SO3],[n-BuNHC3SO3],[n-BuNHC4SO3],[n-HeNHC3SO3],[i-PrNHC3SO3],[i-PrNHC4SO3],[i-BuNHC3SO3],[i-BuNHC4SO3],[MeNHC4SO3],[MeNHC3SO3],[EtNHC4SO3]或[EtNHC3SO3]。6.根据权利要求2所述的一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于含磺酸阴离子基的离子液体：所述的含磺酸阴离子基的离子液体的阳离子为咪唑类有机阳离子、吡啶类有机阳离子、哌啶类有机阳离子、吡咯类有机阳离子、季铵盐类有机阳离子、季磷盐类有机阳离子或胆碱类有机阳离子。7.根据权利要求6一种双功能化离子液体预处理生物质提高酶解效率的方法，其特征在于：咪唑类有机阳离子结构通式为：
\t吡啶类有机阳离子结构通式为：哌啶类有机阳离子结构通式为：吡咯类有机阳离子结构通式为：季铵盐类有机阳离子结构通式为：季磷盐类有机阳离子结构通式为：胆碱类有机阳离子结...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宗超，颜佩芳，
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