一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法技术

本发明专利技术涉及生物质预处理领域，提出了一种水热‑微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法，可以有效提高对木质纤维素原料的酶解效率。本发明专利技术的目的在于提供一种绿色、可回收、低能耗、低成本的预处理方法，提高对离子液体的使用率。通过对木质纤维素原料进行水热‑微波结合离子液体四丁基氢氧化铵[TBA][OH]的依次预处理，达到对木质纤维素原料的有效破坏，增强了四丁基氢氧化铵[TBA][OH]对木质纤维素的润湿作用，使更多的四丁基氢氧化铵[TBA][OH]通过木质纤维素表面破坏的空隙进入内部，打破半纤维素和木质素的结构，使其与纤维素发生解聚，进而提高了四丁基氢氧化铵[TBA][OH]对纤维素的溶解度。

A two-step hydrothermal-microwave combined with ionic liquids pretreatment for lignocellulosic raw materials to improve enzymatic hydrolysis efficiency

【技术实现步骤摘要】
一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法
本专利技术属于生物质能源利用领域，涉及一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法
技术介绍
随着人类社会的进步与经济的快速发展，人类对各种资源如燃料、化学品的需求与日俱增，地球上现有的化石资源，如煤、石油、天然气等已经无法满足人类对可持续发展的需求，加之长久使用化石燃料燃烧所释放的各种有害气体对地球环境污染和气候变暖的影响日趋凸显，因此，寻找可再生的清洁能源替代传统化石燃料已经迫在眉睫。生物质是地球上储量最丰富的可再生能源，可用于生产各种用于生物燃料和化学剂的药品。研究表明，生物质能源是目前最有可能成为化石能源替代资源。生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，纤维素是自然界中分布最广、储量最大的生物质高分子，其结构由葡萄糖分子通过β-1，4糖苷键连接而成的葡聚糖。通常含有数千个葡萄糖单位，也是植物细胞壁的主要成分，每年植物可通过光合作用生产接近1500亿吨的纤维素，同时由于纤维素具有无污染、生物可相容性、易降解性、来源广等诸多优点，也被视为取之不尽，用之不竭的可再生资源，广泛应用于脂肪、轻功、化工、医药和能源领域。然而，天然纤维素的结构复杂，分子链内存在着分子内和分子间的氢键，并且以多层盘绕的方式构成了纤维素的结晶区和非结晶区；同时，由于半纤维素的缠绕及木质素的包裹，也造成可以和纤维素发生反应的离子液体或者酶接触面积变小，可及度降低，严重制约了酶解效率和后期的乙醇发酵。对此，对酶解前的木质纤维素进行一定程度的预处理也显的十分重要。常用的处理手段包括酸处理、碱处理、微生物处理、水热加压法、氨蒸汽爆破法，虽然可以达到破坏木质纤维素结构的效果，但往往破坏程度不高，转化率较低，对环境污染大。对此，有关离子液体的研究逐渐成为了预处理的主要方向。目前关于离子液体对木质纤维素中纤维素的溶解和提取，也有了迅猛的发展。研究发现，许多类的离子液体对纤维素都有溶解能力。其中离子液体中的阴阳离子更是对溶解纤维素起着决定性的作用。特别是咪唑类离子液体，因其具有良好的稳定性和较优的工艺条件，常被用于纤维素的溶解实验，也是近年来被研究应用最多的一类离子液体；Ren等通过化学方法成功合成了新型离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl)并通过实验验证了该离子液体对纤维素良好的溶解能力。Zhao等利用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐溶解废秸秆中的纤维素，通过辅助物理及化学手段，加速了后期的酶解；对此，专利2013101085233通过将离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl)和稻草秸秆粉末的混合物置于超声振荡器中，成功促经了离子液体对纤维素的溶解。然而，大多数离子液体普遍价格昂贵，且咪唑、吡啶基离子液体合成所需的原料大都具有挥发性，极不利于持续生产特别是工业化生产，降低了预处理工艺的经济可行性。不同于上述离子液体，本专利技术所选用的四丁基氢氧化铵[TBA][OH]是一种季铵类有机碱化合物，可以任意比例溶于水。作为一种的新兴的绿色溶剂，四丁基氢氧化铵[TBA][OH]水溶液可以满足对纤维素的快速溶解，并且条件温和，可反复利用，不会对环境造成污染，相对咪唑类离子液体具有造价低廉、节约成本的明显优势。目前已有报道(Chem.Commun.(Cambridge,U.K.),2012.48(12)：1808-1810.)当四丁基氢氧化铵[TBA][OH]质量浓度为60％，温度25℃时，可在5-10min内溶解质量浓度约20％的纤维素，并且随着四丁基氢氧化铵[TBA][OH]质量浓度的降低至40％时，对纤维素的溶解能力急剧下降。这也预示着想要溶解更多的纤维素，需要提供高浓度的四丁基氢氧化铵[TBA][OH]，耗费更多的溶剂，高浓度意味着对于纤维素的溶解过程中会伴随着高能耗的浓缩过程，进而导致四丁基氢氧化铵[TBA][OH]因浓缩而发生减少，不利于可持续批量生产。对此，已有如专利201510093034通过在不同温度下搅拌、溶解，是四丁基氢氧化铵[TBA][OH]可以在质量浓度35-50％的条件下有效溶解纤维素；然而，连续升温、降温、再升温，虽然降低了四丁基氢氧化铵[TBA][OH]的质量浓度，但步骤繁琐，且反应过程中不易控制温度。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法。第一步先通过水浴加热，使木材表面破坏，纹孔裸露，纤维产生裂痕；第二步通过添加离子液体四丁基氢氧化铵[TBA][OH]，在微波场的作用下，进一步促进四丁基氢氧化铵[TBA][OH]通过进入木纤维内部与纤维素发生反应，有效去除木质素，增加后续酶解反应中纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的酶附着位点。采用该方法不仅可以明显提高纤维素在四丁基氢氧化铵[TBA][OH]中的溶解性，还可以将参加反应的四丁基氢氧化铵[TBA][OH]质量浓度降低到最低2％。本专利技术的技术方案：1.一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法，其特征在于，包含以下几个步骤：1)将木质纤维素原料粉碎成100目木质纤维素粉末；2)将步骤1所得木质纤维素粉末与蒸馏水混合并水浴加热一段时间；加热结束后经过抽滤、烘干，得到第一步预处理后的样品Ⅰ；3)将步骤2中第一步预处理后得到的样品Ⅰ加入至离子液体与水的混合溶液中，置于微波场中进行微波处理；4)微波结束后，将步骤3所得固液混合物以15000r/min转速离心10min，固液分离，取上清液；5)在步骤4所得上清液中按照体积比1:3加入无水乙醇。得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为第二步预处理后的样品Ⅱ，抽滤后的滤液回收；6)将回收的滤液经过旋转蒸发仪在85℃水浴条件下减压蒸馏，回收离子液体，重复循环利用；7)将第二步预处理后得到的样品Ⅱ进行酶解处理，得到以还原性葡萄糖为主的糖化液。2.作为改进，其特征在于，所述第一步预处理中木质纤维素粉末与蒸馏水按照1g：10mL比例混合，加热时间2-4h；所述第二步预处理中样品Ⅰ与离子液体和蒸馏水的混合液按照3.5-5.0g：50mL比例混合，置于微波场中，微波时间10-40min。3.作为改进，其特征在于，所述步骤2中的木质纤维素粉末与蒸馏水混合并水浴加热温度为80-90℃。4.作为改进，其特征在于，所述离子液体为四丁基氢氧化铵[TBA][OH]购于化学试剂公司，初始质量浓度为10％，结构如下：5.作为改进，其特征在于，所述离子液体与蒸馏水的混合液中，离子液体与蒸馏水按照体积比0.2-0.8(v/v)的比例进行混合；6.作为改进，其特征在于，木质纤维素原料包括各种废弃木材如桉木、杨木等，农作物秸秆、能源作物等。7.作为改进，其特征在于，微波功率100-1000w，微波频率1500-3000HHz。8.作为改进，其特征在于，选取柠檬酸钠盐作为酶解缓冲液，酶解反应中样品与酶解缓冲液按照1g：5ml比例混合，同时加入纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，在180rpm转速、55℃条件下反应72h。9.作为改进，其特征在于，酶解反应中纤维素酶(购与美国sigma公司，酶活30FPU/g底物)用量为5-80FPU/g底物、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水热‑微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法，其特征在于，包含以下几个步骤：1)将木质纤维素原料粉碎成100目木质纤维素粉末；2)将步骤1所得木质纤维素粉末与蒸馏水混合并水浴加热一段时间；加热结束后经过抽滤、烘干，得到第一步预处理后的样品Ⅰ；3)将步骤2中第一步预处理后得到的样品Ⅰ加入至离子液体与水的混合溶液中，置于微波场中进行微波处理；4)微波结束后，将步骤3所得固液混合物以15000r/min转速离心10min，固液分离，取上清液；5)在步骤4所得上清液中按照体积比1:3加入无水乙醇，得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为第二步预处理后的样品Ⅱ，抽滤后的滤液回收；6)将回收的滤液经过旋转蒸发仪在85℃水浴条件下减压蒸馏，回收离子液体，重复循环利用；7)将第二步预处理后得到的样品Ⅱ进行酶解处理，得到以还原性葡萄糖为主的糖化液。

【技术特征摘要】
1.一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法，其特征在于，包含以下几个步骤：1)将木质纤维素原料粉碎成100目木质纤维素粉末；2)将步骤1所得木质纤维素粉末与蒸馏水混合并水浴加热一段时间；加热结束后经过抽滤、烘干，得到第一步预处理后的样品Ⅰ；3)将步骤2中第一步预处理后得到的样品Ⅰ加入至离子液体与水的混合溶液中，置于微波场中进行微波处理；4)微波结束后，将步骤3所得固液混合物以15000r/min转速离心10min，固液分离，取上清液；5)在步骤4所得上清液中按照体积比1:3加入无水乙醇，得到含有沉淀物的混合液，抽滤后将得到的沉淀物烘干保存，即为第二步预处理后的样品Ⅱ，抽滤后的滤液回收；6)将回收的滤液经过旋转蒸发仪在85℃水浴条件下减压蒸馏，回收离子液体，重复循环利用；7)将第二步预处理后得到的样品Ⅱ进行酶解处理，得到以还原性葡萄糖为主的糖化液。2.根据权利要求1所述的一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法，其特征在于，所述第一步预处理中木质纤维素粉末与蒸馏水按照1g：10mL比例混合，加热时间2-4h；所述第二步预处理中样品Ⅰ与离子液体和蒸馏水的混合液按照3.5-5.0g：50mL比例混合，置于微波场中，微波时间10-40min。3.根据权利要求1所述的一种水热-微波结合离子液体两步预处理木质纤维素原料提高酶解效率的方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯贤锋，高振忠，王晓波，李锰，王淑捷，百明阳，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44