一種提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用木質(zhì)纖維素為原料，利用有機(jī)堿存在下，木質(zhì)纖維素里居基 與0)2的可逆反應(yīng)調(diào)控木質(zhì)纖維素里纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，預(yù)處理木質(zhì)纖維素，通過酶解制備 糖的方法，屬于生物質(zhì)利用與生物化工產(chǎn)品領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的日益短缺，天然木質(zhì)纖維生物質(zhì)作為自 然界中最為豐富的可再生資源受到人們越來越多的關(guān)注。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)主要由纖維素 (35-50% )、半纖維素（20-40% )、木質(zhì)素（15-25% )組成，其中各個組分的相對含量隨著 生物質(zhì)種類及產(chǎn)地的變化而變化。其中，纖維素是一種復(fù)雜的多糖，有8000至10000個葡 萄糖殘基通過目-1,4-糖巧鍵連接而成。半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多 聚體，送些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。普遍認(rèn)為，半纖維素和木 質(zhì)素通過共價鍵鏈接緊緊的包圍在高結(jié)晶度的纖維素周圍，而使天然木質(zhì)纖維素生物質(zhì)在 后續(xù)的直接化學(xué)轉(zhuǎn)化或生物轉(zhuǎn)化過程中表現(xiàn)出較低的效率。通過對纖維素和半纖維素進(jìn)行 化學(xué)催化水解與酶解可W制備重要的化工原料單糖，特別是葡萄糖。W葡萄糖為原料可W 通過化學(xué)催化方法與生物轉(zhuǎn)化方法可W制備一系列的能源化工產(chǎn)品，如生物己醇、微生物 油脂、了醇、5-居甲基織醒等。而傳統(tǒng)上，葡萄糖主要來自淀粉。隨著W葡萄糖為原料制備 能源、化工產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展，對葡萄糖的供給提出了新的要求。而傳統(tǒng)的W淀粉為原料制備葡 萄糖，因?yàn)榈矸蹫槭称焚Y源，其來源受到資源與政策的限制，因此，如何通過利用木質(zhì)纖維 素原料，高效制備糖受到了普遍的關(guān)注。
[0003] 而天然木質(zhì)纖維素中的纖維素為高度結(jié)晶聚合物，由于其分子間與分子內(nèi)部 強(qiáng)的氨鍵作用，使其不溶于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，對化學(xué)、生物催化劑的響應(yīng)較低。為了獲 得高的纖維素水解效率，必須要對天然木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，W改變其晶體結(jié)構(gòu)與物 理形態(tài)，同時選擇性的去除木質(zhì)素，提高相應(yīng)化學(xué)催化劑、酶的可及度及催化效率。稀 酸預(yù)處理能夠有效的破壞半纖維素的結(jié)構(gòu)，但是會產(chǎn)生織醒、居甲基織醒、己酸等副 產(chǎn)物，影響后續(xù)轉(zhuǎn)化利用度ioresource Technology. 2011, 102, 9705-9709 ;北京化工 大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2011,38, 87-91)。此外，還有氣爆預(yù)處理（林產(chǎn)化學(xué)與工 業(yè).2009, 29, 33-38)、堿預(yù)處理度iomass and Bioenergy. 2013, 51, 35-42)、生物預(yù)處 理度ioresource Technology. 2009, 100, 5170-5175)、氨爆預(yù)處理度iotechnology for Bio化el. 2009, 2, 1-11)等預(yù)處理方法。雖然送些方法能夠有效的破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)， 但是因?yàn)檫^程復(fù)雜、成本高、副產(chǎn)物多等原因，將會增加后續(xù)利用過程的復(fù)雜性和資本的投 入，不利于放大和規(guī)?；a(chǎn)。
[0004] 最近基于離子液體溶解纖維素、木質(zhì)纖維素材料，實(shí)現(xiàn)纖維素度iotechnology and Bioengineering. 2011, 108, 511-520)、木質(zhì)纖維素的溶解預(yù)處理（Green 化emistry. 2012, 14, 1202-1210)，從而提高其酶解效率，由于其高效性，獲得了廣泛的關(guān) 注。中國專利201110008782. X保護(hù)了一種利用離子液體預(yù)處理提高纖維素酶解產(chǎn)糖的方 法。中國專利201210144959. 3保護(hù)了一種提高木質(zhì)纖維素酶水解率的預(yù)處理方法，也是利 用離子液體為溶劑。通過離子液體溶解纖維素、木質(zhì)纖維素實(shí)現(xiàn)其預(yù)處理，可W顯著提高其 酶解效率，其所用的離子液體液體都是傳統(tǒng)咪哇鹽離子液體。而傳統(tǒng)咪哇鹽離子液體價格 昂貴，回收、純化、循環(huán)利用成本高，大大了限制了該過程的經(jīng)濟(jì)性能。
[0005] 最近，基于有機(jī)堿存在下居基化合物與C〇2反應(yīng)概念，中國專利201210374955. 4 保護(hù)了一種纖維素溶液溶解纖維素和再生纖維素的方法，其主要特征是利用廉價的，容易 制備的(?開關(guān)性離子化合物或C〇2開關(guān)性離子化合物與有機(jī)溶劑組成的混合溶劑體系溶 解加工纖維素。作為一種新的纖維素溶解體系，為纖維素的均相化學(xué)改性及溶解預(yù)處理提 供了一個良好的平臺。中國專利201410120195. 3保護(hù)了一種基于小分子0)2開關(guān)型離子 化合物或小分子0)2開關(guān)型離子化合物與有機(jī)溶劑組成的電解質(zhì)體系溶解纖維素制備葡萄 糖的方法。而基于送一思想，有機(jī)堿存在下，通過利用纖維素、或木質(zhì)纖維素上居基與0)2 反應(yīng)，從而破壞其晶體結(jié)構(gòu)，在通過酶解技術(shù)制備糖還沒有相關(guān)文獻(xiàn)及專利報(bào)道。本發(fā)明專 利是基于此思想，開發(fā)的木質(zhì)纖維素溶解預(yù)處理，提高其酶解效率，高效制備木質(zhì)纖維素基 糖。基于糖，特別是葡萄糖的重要應(yīng)用價值，該溶解預(yù)處理技術(shù)具有廉價，易制備，易循環(huán)使 用等特點(diǎn)，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有木質(zhì)纖維素生物質(zhì)制糖技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種利用有機(jī) 堿存在下，木質(zhì)纖維素上居基與C〇2的可逆反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素晶體結(jié)構(gòu)變化，木質(zhì)素分 離，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的溶解預(yù)處理，從而提高其后續(xù)酶水解效率。該方法解決了目前木質(zhì)纖 維素預(yù)處理的方法存在的溶劑成本高，提純回收利用成本高等問題，
[0007] 本發(fā)明利用一種利用木質(zhì)纖維素為原料制，通過利用有機(jī)堿存在下，木質(zhì)纖維素 里居基與0)2的可逆反應(yīng)調(diào)控木質(zhì)纖維素里纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，預(yù)處理木質(zhì)纖維素，W提高 其酶解效率制糖的方法，它是按照如下步驟進(jìn)行的：
[0008] 1) W木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料；
[0009] 2)將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)、有機(jī)堿與有機(jī)溶劑混合；
[0010] 3)往混合體系中充入一定壓力的C〇2,一定溫度下反應(yīng)一定時間；
[0011] 4)釋放C〇2,在體系中加入反溶劑，生物質(zhì)W纖維素的反溶劑再生，再過濾、分離獲 得預(yù)處理過的木質(zhì)纖維素材料；
[0012] 5)取一定量的再生木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，加入緩沖溶液與纖維素酶及木聚糖酶進(jìn)行 酶解，獲得糖溶液。
[0013] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的一種提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖率的方法，它還可 W具有如下特點(diǎn)：所用的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料為：農(nóng)林廢棄物枯桿、農(nóng)作物種子皮殼中 一種或是上述至少兩種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的混合物。具體包括：稻草、麥枯、蘆韋枯桿、棉 花枯桿、花生枯桿、花生殼、玉米枯桿、玉米頁、玉米穗皮、甘藏渣為原料一種或者至少兩種 的混合物。而利用上述原料，通過前期預(yù)處理選擇性去除部分半纖維素和木質(zhì)素的纖維素 原料，也適用于本專利。木質(zhì)纖維生物質(zhì)的物理尺寸及含水量對預(yù)處理結(jié)果具有重要的影 響。為了獲得良好的預(yù)處理效果，木質(zhì)纖維素原料具有如下特征：物理尺寸為0. 1毫米至5 毫米；含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<8%。
[0014] 本發(fā)明提供的一種提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖率的方法，其中，第2)步驟的 具體過程是：
[0015] (a)將有機(jī)胺、木質(zhì)纖維素、有機(jī)溶劑加入溶解蓋中，蓋上反應(yīng)蓋，通入C〇2,在一定 溫度下反應(yīng)。有機(jī)堿存在下，木質(zhì)纖維素上的居基與(?反應(yīng)，形成(?開關(guān)型可逆聚電解 質(zhì)體系：
[0016] 其中陽離子結(jié)構(gòu)為W下結(jié)構(gòu)中的一種或兩種W上：
[0017]
[0018] A系列，Ri為碳原子數(shù)為1-6的烷基、碳原子數(shù)為3-10的己氧基聚己二醇基或甲 氧基聚己二醇基，R2, R3, R4為獨(dú)立的甲基；
[0019] B系列，η = 1或η = 2 ;m = 1-6 ;R為獨(dú)立的氨、甲基或己基化為獨(dú)立的氨、碳原 子數(shù)為1-6的烷基、碳原子數(shù)為3-10的己氧基聚己二醇基、甲氧基聚己二醇基、碳原子數(shù)為 1-6的居基化烷基或碳原子數(shù)為4-8的聚己二醇基；R2, R3, R4, Rs為獨(dú)立的氨或甲基或己基；
[0020] 其中W主要組分纖維素代替木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)時，所形成的木質(zhì)