一种利用碱性低共熔溶剂快速高效解构木质纤维素的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用碱性低共熔溶剂快速高效解构木质纤维素的方法，涉及木质纤维原料清洁分离和高效利用领域。包括构建碱性低共熔溶剂，采用碱性低共熔溶剂预处理木质纤维素，分离预处理木质纤维素后体系中各个组分。其中，碱性低共熔溶剂中加入了硫化钠或其水合物。本申请在低碱性助剂用量下，能够在较短时间内实现对木质素的快速高效脱除，同时保留了木质纤维原料中的绝大多数碳水化合物，该碳水化合物经过后续糖化过程可100％转化为相应的单糖：葡萄糖、木糖。预处理木质纤维素后可直接加入去离子水实现主要组分的有效分离，无需采用有机溶剂洗涤。整个过程操作方法简单，可实现木质纤维原料各组分的快速、高效、低成本解离。离。离。

【技术实现步骤摘要】
一种利用碱性低共熔溶剂快速高效解构木质纤维素的方法


[0001]本专利技术涉及木质纤维原料清洁分离和高效利用领域，具体涉及一种利用碱性低共熔溶剂实现木质纤维原料快速高效解构的方法。

技术介绍

[0002]面对化石类能源危机，人类试图减少对石油的依赖，寻找清洁、环保、低碳的新型能源，木质纤维原料作为地球上储量最丰富的天然可再生碳源被广泛关注。木质纤维生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中木质素和半纤维素充当了纤维素之间的粘结剂和增强剂，其复杂的结构阻碍了化学物质、酶和微生物对木质纤维原料的解离。通过对木质纤维生物质进行预处理，可有效打破木质纤维原料中的抗降解屏障(木质素)，实现木质纤维原料中碳水化合物(纤维素和半纤维素)的有效利用。
[0003]近年来，离子液体被认为是一种可替代传统预处理溶剂的新型溶剂，但毒性大、成本高、选择性差限制了其在木质纤维原料预处理方面的应用。同离子液体相比，低共熔溶剂具有价格低、易制备、绿色无毒、热稳定性好、选择性好等优势，被认为是最有潜力取代传统预处理、实现绿色生物质精炼的溶剂。低共熔溶剂通常由氢供体和氢受体组成。其中，多元醇基的氢供体近年来被广泛研究，但多元醇基的低共熔溶剂由于活性位点较少，在预处理过程中对木质纤维原料的分离效果较差，研究表明向该多元醇体系中加入一定量的催化剂如AlCl3、H2SO4等可以有效促进其预处理效果，提高葡聚糖和木聚糖的糖化效率，但是常用的酸性催化剂存在对设备腐蚀严重、所得木质素结构缩聚严重等问题限制了其发展。虽然CN 113603899 A公开了一种利用路易斯碱辅助中性低共熔溶剂预处理木质纤维素的方法，具有良好的脱除木素和半纤维素而保留纤维素的效果，显著提高了酶解糖化效率，而且低共熔溶剂水溶液经浓缩脱水后可循环，但其存在以下问题：路易斯碱用量过大，易造成纤维素剥皮反应，降低碳水化合物的利用率；处理时间过长，降低产能；在后续固液分离时采用有机溶剂，增加成本。因此，本专利技术旨在开发一种低共熔溶剂及其碱性助剂，在使用少量碱性助剂的情况下快速实现木质纤维原料的高效解离并实现各组分的高值化利用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种快速高效解构木质纤维素的碱性低共熔溶剂；本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种利用该碱性低共熔溶剂实现木质纤维原料快速高效解构的方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种快速高效解构木质纤维素的碱性低共熔溶剂，是由氢键受体、氢键供体和碱性助剂混合，加热搅拌至形成均一、乳白色的液体得到，氢键受体选自氯化胆碱、苄基三甲基氯化铵、甜菜碱中的一种；氢键供体选自乙二醇、1，3
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丙二醇、1，4
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丁二醇中的一种；碱性助剂为硫化钠或其水合物。
[0007]利用所述的碱性低共熔溶剂快速高效解构木质纤维素的方法，包括以下步骤：
[0008]1)将氢键受体、氢键供体按摩尔比混合，然后与占木质纤维素原料质量1％～15％的碱性助剂混合，加热搅拌至形成均一、乳白色的碱性低共熔溶剂；
[0009]2)木质纤维原料经双螺杆挤压机挤压过后，并采用步骤1)制得的碱性低共熔溶剂进行预处理，于100
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150℃下反应10
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60min；预处理结束后加入蒸馏水，充分搅拌，过滤使固液分离，获得预处理物料和预处理液；
[0010]3)调节预处理液pH＝2，使木质素沉析，之后经过pH＝2的醋酸洗涤，冷冻干燥获得木质素，预处理物料以蒸馏水洗涤至中性后平衡水分。
[0011]进一步的，步骤1)中，氢键受体和氢键供体的摩尔比为1∶2～1∶3。
[0012]进一步的，步骤1)中，在70
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110℃下加热拌至形成均一、乳白色的碱性低共熔溶剂。
[0013]进一步的，木质纤维素原料与碱性低共熔溶剂的固液比为1∶5～1∶15。
[0014]作为优选，木质纤维素原料与碱性低共熔溶剂的固液比为1∶10。
[0015]进一步的，步骤2)中，蒸馏水的添加量为碱性低共熔溶剂体积的2～20倍。
[0016]作为优选，步骤2)中，蒸馏水的添加量为碱性低共熔溶剂体积的5倍。
[0017]相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0018]1)本申请在较短时间下大量脱除木质纤维原料中的木质素，并且在木质素脱除过程中保留大部分碳水化合物，后续糖化过程可100％转化为可发酵单糖，酶水解得率可达理论水平。
[0019]2)本申请对木质纤维原料进行简单挤压处理即可进行预处理，无需过度粉碎，可节省能量；预处理时间短，且在预处理后的固液分离过程中，采用蒸馏水分离、洗涤预处理物料，无需采用有机溶剂，解决了现有固液分离成本高的问题，可有效节约成本。
[0020]3)本申请采用碱性体系可有效减少对设备的腐蚀，可为碱性低共熔溶剂工业化生产提供借鉴。
附图说明
[0021]图1为实施例1预处理物料后葡聚糖、木聚糖回收率及木质素脱除率图；
[0022]图2为实施例1预处理物料酶水解得率图；
[0023]图3为实施例2预处理物料后葡聚糖、木聚糖回收率及木质素脱除率图；
[0024]图4为实施例2预处理物料酶水解得率图。
具体实施方式
[0025]下面结合具体实施例对本专利技术进一步进行描述。这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。在不背离本专利技术精神和实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本专利技术的范围。以下实施例中如无特殊说明，实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0026]实施例1
[0027]一种碱性低共熔溶剂快速高效解构木质纤维原料的方法，包括以下步骤：
[0028]1)将氯化胆碱与乙二醇按摩尔比1∶2混合，再分别与占毛竹质量1％、4％、7％、10％、13％的九水合硫化钠(有效量)混合后，在80℃下搅拌，直至形成均一、乳白色液体。
[0029]2)按质量比1∶10将毛竹与碱性低共熔溶剂混合，在120℃下反应10min，预处理结束后加入5倍预处理液体体积的蒸馏水，搅拌1h。
[0030]3)固液分离，获得富含木质素的预处理液及富含碳水化合物的预处理物料。调节预处理液pH＝2，使木质素沉析。
[0031]4)预处理物料以蒸馏水洗至中性后于4℃下平衡水分，之后进行化学组分含量测定并进行酶水解实验。
[0032]如图1所示，经过碱性低共熔溶剂预处理后，随着硫化钠用量的增大，木质素脱除率由52.64％(1％)升高到76.07％(13％)，表明体系中硫化钠用量的增加对增强木质素脱除效果显著，而葡聚糖和木聚糖回收率基本保持不变，说明硫化钠对葡聚糖和木聚糖的降解较少。在图2中，葡聚糖和木聚糖酶水解得率在硫化钠占毛竹质量的20％时已达到100％，说明少量的硫化钠助剂可实现该低共熔溶剂体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速高效解构木质纤维素的碱性低共熔溶剂，其特征在于，所述碱性低共熔溶剂是由氢键受体、氢键供体和碱性助剂混合，加热搅拌至形成均一、乳白色的液体得到，所述氢键受体选自氯化胆碱、苄基三甲基氯化铵、甜菜碱中的一种；所述氢键供体选自乙二醇、1,3
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丙二醇、1,4
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丁二醇中的一种；所述碱性助剂为硫化钠或其水合物。2.利用权利要求1所述的碱性低共熔溶剂快速高效解构木质纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将氢键受体、氢键供体按摩尔比1:2～1:3混合，然后与占木质纤维素原料质量1％～15％的碱性助剂混合，加热搅拌至形成均一、乳白色的碱性低共熔溶剂；2)木质纤维原料经双螺杆挤压机挤压过后，并采用步骤1)制得的碱性低共熔溶剂进行预处理，于100
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150℃下反应10
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60min；预处理结束后加入蒸馏水，充分搅拌，过滤使固液分离，获得预处理物料和预处理液；3)调节预处理液pH＝2，使木质素沉析，之后经过pH＝2的醋酸洗涤，冷冻干燥获得木质...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院林产化学工业研究所，
类型：发明
国别省市：