[发明专利]一种超声波‑微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波-微波同步协助离子液体-水的混合体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，属于木质纤维素类生物质的资源化利用技术领域。

背景技术

木质纤维素是地球上储量巨大的生物质资源，其主要来源有农作物秸秆、树木、能源植物及野草等。随着一系列环境及能源问题的涌现，可再生的木质纤维素已经成为人类重点开发及利用的能源资源。由于其能源利用率低及环境污染严重等问题，直接燃烧木质纤维素的传统利用形式，已逐渐被其他途径替代；目前，将木质纤维素类生物质通过生物法水解生成还原糖，再经微生物发酵获取燃料及其他化学品已成新的研究热点。

酶水解木质纤维素制备还原糖工艺因环境友好、条件温和以及还原糖收率高而倍受青睐，然而木质纤维素内部紧密的天然晶体结构却阻碍了酶分子对底物的可及度，大大限制了酶解效率。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素构成；其中纤维素是由β-D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接而成，为链状多晶型聚合物；半纤维素由多种糖单元组成的化学结构非均一的多糖；木质素是由苯丙烷单元以C－C键和C－O－C醚键连接而成的无定型复杂的网状杂聚物；其中木质素是将木质纤维素主要组分连接在一起的“粘胶”，使其难溶于水，也正是由于木质素与半纤维素连结实现了对纤维素的包裹和缠绕作用，使其成为酶解和微生物降解的重要障碍。

在生物炼制过程中，为了提高纤维素酶对木质纤维素水解的效率，需要对木质纤维素进行预处理以打破其致密结构，除去木质素等抑制组分，降低纤维素的结晶度，最大限度地提高酶与纤维素的接触效率。目前传统的预处理方法包括物理法、化学法、物理化学法和生物法，但多数存在环境污染大，生产效率低等缺点。作为一种新型绿色溶剂，离子液体是由有机阳离子和有机或无机阴离子构成的盐。离子液体对木质纤维素组分有良好溶解性能，且具有不挥发，环境污染小，可重复使用等优点，目前已在木质纤维素类生物质的预处理中得到广泛应用。该预处理工艺主要是利用离子液体的超强溶解能力，先将木质纤维素中的纤维素溶出，然后加入其他溶剂（反溶剂）使纤维素沉淀析出（再生），以破坏其晶体结构。然而，由于离子液体粘度大，会影响预处理过程中的传质、增加操作难度；同时成本过高也是离子液体预处理中存在的问题。目前已有的解决办法是在离子液体中添加水来降低粘度，强化传质，减少成本，但离子液体中的水的存在又会严重妨碍纤维素的溶解，故该溶解工艺对水含量要求甚为苛刻（通常需低于1%），这就必须对原料及离子液体进行长时间高温脱水处理，导致能耗过大，严重降低了该预处理工艺的经济可行性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用离子液体对木质纤维素进行预处理过程中，需要将离子液体中的水含量控制在极小范围，以促使纤维素溶解于离子液体中，过程中存在着对原料及离子液体进行长时间高温脱水处理，能耗大、成本高等问题。

本发明所采用了一种与现有技术完全不同的技术构思，即不考虑离子液体对纤维素溶解性的问题，而直接采用对木质素具有较高溶解性的离子液体将木质素从纤维素中分离出，同时，利用加入较多的水来降低离子液体粘度、强化传质、降低成本，在这个过程中，辅以超声波-微波两种能量的叠加，有效去除木质纤维素中的木质素，能够增强纤维素酶对纤维素的水解效率，显著提高可发酵的还原糖（葡萄糖及木糖）收率；并且在预处理后，也同时避免了常规技术中需要将离子液体中的纤维素再用反溶剂再次提取的问题，直接将处理后的固体物送入酶解工序即可。

具体的技术方案是：

一种超声波-微波同步辅助离子液体体系预处理木质纤维素提高其酶解效率的方法，包括如下步骤：

第1步，木质纤维素类原料加入至离子液体与水的混合溶液中，在外加微波/超声场的作用下，进行加热处理；将固体物滤出后，经过洗涤、烘干，得到预处理后的木质纤维素；

第2步，将第1步得到的木质纤维素经过酶解处理，得到以还原糖葡萄糖与木糖为主要成分的糖化液。

在一个实施方式中，所述的第1步中，采用的离子液体是指对木质素具有较好溶解性、对纤维素具有较低溶解性的离子液体。

在一个实施方式中，所述的离子液体是指[胆碱][鸟氨酸][Cho][Orn]，其具有如下所示的结构：

在一个实施方式中，离子液体与水的混合溶液中，离子液体所占质量百分比范围是25～99.9wt%，更优选是45～55wt%。

在一个实施方式中，木质纤维素类原料为农作物秸秆、林木、竹木、野生草本、能源作物或者是它们的混合物，其原料粒径范围为0.1～5cm。