[发明专利]一种预处理和水解微晶纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明属于绿色化学与生物质新能源生产技术领域，具体涉及到使用有机电解质溶解和预处理纤维素类的生物质与预处理后的生物质高效水解领域。

背景技术

随着近年来石油储量的减少和环境污染的日益加剧，绿色可再生原料的综合利用是实现社会可持续发展的必要手段。纤维素是自然界中储量最为丰富的可再生天然高分子物质，每年再生量超过1.0×10¹⁰吨。而且纤维素还具有易降解、无污染、易于改性等优点，纤维素及其衍生物已经广泛地应用于传统的塑料、纺织、造纸、油田、食品、日化、医药、建筑等行业。更重要的是纤维素已经成为生产生物燃料和新型材料的重要原料。

天然纤维素分子间和分子内存在大量的氢键，具有较高的结晶度，具有聚集态结构的特点。在生物燃料的生产过程中，最为关键的步骤是纤维素充分水解成为葡萄糖。纤维素的高结晶度，强烈地阻碍了酸、碱、酶或者固体催化剂与纤维素分子内部的接触，极大地延长了水解的周期、增加了催化剂的用量。为消除天然纤维素这一局限，需对其微晶结构进行修饰或者破坏，使其结构变得松散，从而有利于催化剂与纤维素底物的有效接触和水解。

当前，常用于木质纤维素的预处理的传统的手段主要包括物理法(球磨，粉碎，射线等)、化学法(酸、碱、有机溶剂法)，物理化学法(蒸汽爆破、氨纤维爆破)和生物法(利用白腐菌固体培养法)。而这些传统的手段总是存在着不足，例如物理法能耗高，化学法污染环境，生物法效率低下、周期长，而最有效的物理化学的方法仍存在着设备要求较高，操作复杂等问题。人们仍未停止对最经济有效的预处理方法的探索。随着技术的进步和发展，离子液体作为一种新型的溶剂用于纤维素的预处理逐渐进入了人们的视线。离子液体是在室温下，内部分子完全电离一种绿色溶剂。部分离子液体，如3-甲基-1丁基咪唑氯盐[BMIM]Cl或者3-甲基-1烯丙基咪唑氯盐[AMIM]Cl，可以有效地溶解一定量的微晶纤维素。纤维素可以通过加入水等沉淀剂，很容易地被再生。纤维素经这一处理后，水解效率可以大大得到提高。离子液体经过简单过滤和蒸馏，可以循环利用。离子液体是一种绿色高效的纤维素预处理方法。据相关文献报道，使用离子液体预处理后，纤维素的水解率能够以3-10倍的幅度提高。

然而离子液体的成本高，在纤维素的预处理中用量大；部分离子液体黏度较高，增加了搅拌的能量损耗，且造成传质不均并导致溶解效果变差、溶解时间延长(参见中国专利CN1491974A和CN1818160A)。这些因素阻碍了离子液体的应用前景。

现有技术中还采用将离子液体与有机溶剂的混合溶液，其中离子液体均由阳离子和阴离子组成：所述的阳离子为下列四类阳离子中的一种：烷基咪唑阳离子、烷基吡啶阳离子、烷基季铵阳离子和烷基季磷阳离子；阴离子为Cl-，Br-，I-，CH3COO-，SO42-，NO3-，BF4-，PF6-，SCN-，CF3SO3-，CF3COO-，(CH3O)2PO2-，(CF3SO2)N-或(CF3SO2)C-；有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺，二甲基亚砜或1，4-二氧六环(参见CN101215725A)。

CN101560258A公开了一种纤维素的溶剂为1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体与二甲基亚砜助溶剂的复合溶剂。然而，上述复合溶剂存在价格昂贵，溶解纤维素时间长、能耗高等缺陷。为解决以上的问题，我们在预处理过程中使用了一类由离子液体与其它有机溶剂组成的称为有机电解质的绿色溶剂，具有快速、方便、成本低廉等优势，可实现微晶纤维素的高效预处理。

预处理后的纤维素通过水解反应，最终形成葡萄糖分子。纤维素水解的主要原理是利用各类催化的催化作用，促使纤维素的Beta-1，4-糖苷键断开，并与水电离出的氢离子和氢氧根离子作用，在1位和4位形成羟基，纤维素断裂成为葡萄糖分子。目前水解工艺中常使用催化剂包括化工催化剂(例如：液体酸、碱或者固体酸碱等)和生物催化剂(主要是纤维素酶)。其中，纤维素酶的方法具备无环境污染，无发酵抑制物产生，设备投资要求低，反应条件温和等特点，尤其是随着当今发酵工程技术的进步，工业纤维素酶的生产成本逐渐降低。应用纤维素酶已成为一种高效与绿色环保的水解纤维素技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色、高效的纤维素预处理和水解技术，以应用于纤维素乙醇工业中纤维素的快速水解生产葡萄糖的工艺中。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

除非另有说明，本发明所采用的百分数均为质量百分数。

本发明的技术方案是基于以下认识：