CN101871020A - 离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，其步骤主要包括：将粉碎干燥过的木质纤维原料与离子液在密封条件下于80～100℃搅拌预处理2～3h，形成浆液，然后通过加入适量盐酸调节浆液pH，来控制木质纤维原料中的半纤维素(pH为4.5～5.3)、纤维素(pH为2.5～3.2)分步水解，从而获取木糖、葡萄糖及木质素。采用本发明方法，可以一次性分别获取木质纤维原料的三个主要水解产物木糖、葡萄糖和木质素，而不是混合单糖，为利用生物质木质纤维素生产乙醇和氢能，以及为生物质直接向一些较高附加值的精细化学品转化开辟了一条新途径，而且水解反应实现了离子液的再生和可循环利用，为工业化应用打下良好的基础。该方法适用范围广，适合于一切含有木质纤维素的生物质材料或原料。

Description

离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法

技术领域

本发明涉及酸化离子液水解木质纤维原料的方法，具体涉及一种将离子液与木质纤维原料混合后用无机酸调节浆液pH来控制木质纤维原料中半纤维素、纤维素分步水解，从而分别获取木糖、葡萄糖及木质素的方法。

背景技术

在化石能源渐趋枯竭，可持续发展、保护环境和循环经济渐成趋势的今天，世界开始将目光聚焦到可再生能源，特别是生物质能源上。太阳能、风能、小水电等可再生能源存在自身不能进行物质生产的缺陷，生物质因其既能贡献能量，又能像煤炭和石油那样生产出千百种化工产品而备受关注；如可以利用自然界中最具资源优势的生物质木质纤维素来生产乙醇和氢能，即石油的可替代能源。从长远发展战略来看，这将是我国启动循环经济、起步迈上生物质经济的开始。利用农林生物质资源发展生物炼油厂是贯彻我国以人为本、全面协调可持续发展的科学发展观的一条途径。

当前国内外生物质产业是指以可再生或循环的有机物质(包括农作物、树木和其他植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物以及利用边缘性土地种植能源植物)为原料，进行生物质产品、生物燃料和生物能源生产的产业。而关于木质纤维素的降解和水解问题，成为生物质产业中的核心研究课题之一。在生物质工程中，目前国际公认有三个需要解决的重大工程技术问题：一是克服木质纤维素分子对生物转化的抗性——由多糖降解为可发酵糖；二是通过微生物代谢工程和基因工程研究高速、高效、高收率的利用可发酵糖生物转化；三是简捷、高效的下游过程技术——产物分离；其中第一步将大分子多糖降解为可生物利用的还原糖是目前最大的技术屏障。这三方面的技术的突破，可以使我国在新兴的生物质产业领域取得国际领先地位，从而率先在世界上生产燃料乙醇和氢气能源，最终构建起我国的生物质产业。

然而，其中的关键技术难点是解决生物质中木质纤维素如何有效选择性降解和分解的问题。传统的纤维素水解方法有酸水解法和酶水解法，但是各自均存在不同的弊端，如前者造成环境严重污染和生产设备严重消耗，后者则使得生产成本昂贵等。自2002年美国阿拉巴马大学Rogers课题组首先发现离子液可以溶解纤维素以来，关于离子液在此方面的应用成为国内外研究的热点。Rogers研究组发现并报道了一些具有形成氢键能力的阴离子组成的离子液可以溶解纤维素。至今他们也已合成出十几种能够溶解纤维素的离子液，并且溶解性能越来越好，可以在较低的温度下溶解更多的纤维素。其中离子液1-丁基-3-甲基咪唑氯盐[Bmim]Cl对纤维素表现出最好的溶解能力。据报道在100℃加热条件下聚合度DP为1000的可溶性纤维素浆粕的溶解度为10％(质量)，而在微波加热条件下纤维素的溶解度可以达到25％(质量)。报道认为，氯代咪唑型离子液中高浓度的氯离子对纤维素的溶解具有至关重要的作用。因为氯离子具有很强的氢键接受能力，可以和纤维素大分子链中羟基上的氢形成氢键，从而破坏了纤维素中大分子链间存在的大量氢键，最终导致纤维素的溶解。然而国内外目前该方面的研究，木质纤维素降解后的产物是葡萄糖和其它单糖混合物，而未将单糖如木糖、葡萄糖，及木质素从中分离出来。

本发明基于上述需要解决的几个重大工程技术问题和技术屏障，将生物质木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素直接一次转化成生物可利用的还原糖及化学可分离的精细化学品的原料，即将木糖、葡萄糖和木质素从木质纤维原料中逐一分离出来的方法和技术。

发明内容

本发明目的在于提供一种通过调节离子液与木质纤维原料浆液pH，使半纤维素、纤维素分步水解从而分别获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，本发明另一目的是提供了一种反应后的离子液回收循环利用的方法。

一种离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，包括如下步骤：

①预处理和半纤维素水解反应：将离子液与干燥过的、过160～200目筛的木质纤维原料混合，在密封条件下于80～100℃搅拌预处理2～3h，形成浆液，然后加入适量无机酸调至浆液pH为4.5～5.3，继续反应5～7h(以保证木质纤维原料中的半纤维素首先水解，转化成木糖)，冷却至室温，加入去离子水，得固液混合物a，所述离子液与木质纤维原料质量比为5～15，所述加入的去离子水与浆液的体积比为1～2；

②木糖的分离：将上述固液混合物a分离得沉淀b和溶液c，将溶液c通过葡聚糖凝胶柱或活性炭柱分离，去离子水洗脱，蒸除去离子水，分别得到木糖和离子残液d；

③纤维素水解和木质素分离：将沉淀b与离子残液d混合，在密封条件下于80～100℃搅拌反应2～3h，形成浆液，然后加入适量无机酸调至浆液pH为2.5～3.2，继续反应3～5h(以保证木质纤维原料中的纤维素全部水解，转化成葡萄糖)，冷却至室温，加入去离子水，得固液混合物e，将固液混合物e分离得到木质素固体f和溶液g，所述加入的去离子水与浆液的体积比为1～2；

④葡萄糖分离：将溶液g通过葡聚糖凝胶柱或活性炭柱分离，去离子水洗脱，蒸除去离子水，即得到葡萄糖和离子残液h。

将上述步骤④得到的离子残液h经薄层层析追踪分析，与离子液标准品对照，合并相同组份，减压蒸除去离子水，得到再生离子液(回收率达到82％)，可再次用于形成浆液，从而使离子液得以循环利用。

所述离子液优选为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，所述无机酸优选为盐酸。

所述木质纤维原料优选为玉米秸秆、麦秸或稻草。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：

本发明方法操作简单，无污染，成本较低，溶解过程中使用少许酸控制反应的pH来实现木质纤维原料中半纤维素、纤维素分步水解，从而可以一次性分别获取木质纤维生物质材料/原料的三个主要水解产物木糖、葡萄糖和木质素，而不是混合单糖，为利用生物质木质纤维素来生产乙醇和氢能，以及为生物质直接向一些较高附加值的精细化学品(如山梨醇、葡萄糖酸钙和甘露醇等)转化开辟了一条新途径，而且水解反应实现了离子液的再生和可循环利用，为工业化应用打下良好的基础。此外，反应后的离子液可以回收再次循环利用，该方法适用范围广，适合于一切含有木质纤维素的生物质材料或原料。其中关键技术一举解决了关于目前木质纤维素的降解和水解中前述的国际公认的三个需要解决的重大工程技术难题。

附图说明

图1为实施例1预处理和半纤维素水解反应过程中每隔1h对应浆液的薄层色谱板结果；

图2为实施例1中分离得到的离子液和木糖的薄层色谱板结果；

图3为实施例1中纤维素水解和木质素分离过程中每隔1h对应浆液的薄层色谱板结果；

图4为实施例1中分离得到的离子液和葡萄糖的薄层色谱板结果；

图5为同等条件下酸水解玉米秸秆产物的薄层色谱板结果；

图6为实施例2预处理和半纤维素水解反应过程中每隔1h对应浆液的薄层色谱板结果；

图7为实施例2中分离得到的离子液和木糖的薄层色谱板结果；

图8为实施例2中纤维素水解和木质素分离过程中每隔1h对应浆液的薄层色谱板结果；

图9为实施例2中分离得到的离子液和葡萄糖的薄层色谱板结果。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1：

一种离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，包括如下步骤：

①预处理和半纤维素水解反应：称取14.6g 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐于圆底烧瓶中，再加入2.9g干燥过的、过160目筛的玉米秸秆粉末，用配套的塞子密封后，置于80℃油浴中搅拌预处理2h，形成浆液，然后加入适量盐酸调至浆液pH为4.5，继续反应7h(以保证木质纤维原料中的半纤维素首先水解，转化成木糖，在反应过程中，每隔1h与离子液、木糖和葡萄糖标准品用薄层色谱进行分析追踪，所用的展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3)，冷却至室温，加入两倍浆液体积的去离子水，得固液混合物a。

预处理和半纤维素水解反应过程中每隔1h对应的浆液薄层色谱板见图1，其中图1(a)为反应1h时浆液的薄层色谱板，图1(b)为反应2h时浆液的薄层色谱板，图1(c)为反应3h时浆液的薄层色谱板，图1(d)为反应4h时浆液的薄层色谱板，图1(e)为反应5h时浆液的薄层色谱板，图1(f)为反应6h时浆液的薄层色谱板，图1(g)为反应7h时浆液的薄层色谱板，图1(h)为反应8h时浆液的薄层色谱板，图1(i)为反应9h时浆液的薄层色谱板；“离”指离子液1-丁基-3-甲基咪唑氯盐标准品，“木”指木糖标准品，“葡”指葡萄糖标准品，数字1～9分别指代不同反应时间对应浆液的点板情况(下同)。

②木糖的分离：将上述固液混合物a移入离心管中，用离心机在10000r/min的转速下离心，得沉淀b和溶液c(即上清液)，将溶液c用葡聚糖凝胶柱分离，去离子水洗脱，薄层色谱分析追踪，收集的样品被蒸除去离子水，分别得到木糖和离子残液d。

葡聚糖凝胶柱从溶液c中分离木糖的过程为：取2g葡聚糖凝胶(G-100，长征制药厂)，加入20ml的去离子水在室温下溶胀3h。用纱布塞紧柱底部，然后将柱垂直固定于铁架台上，先加入1/3柱体积的去离子水，接着将溶胀好的凝胶边搅拌边连续加入，使它们在柱内自然沉降(装柱后的凝胶必须均匀，不能有气泡或者明显的裂纹)，装好后，用去离子水平衡2h，然后将柱内凝胶上部的去离子水放出，直至柱内液面与凝胶表面相齐。此时加入溶液c(加样量应小于凝胶填料总体积的20％)，加完后，速放出液体至加样液体与凝胶面相齐，加入去离子水进行洗脱。将接收的各部分液体通过薄层色谱分析，相同的馏分加以合并，然后收集的样品被蒸除去离子水，即可分别得到木糖和离子残液d(将离子残液d回收，用于步骤④纤维素水解和木质素分离反应)，将其分别与离子液、木糖和葡萄糖标准品用薄层色谱进行分析，所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3，薄层色谱板见图2，图2(a)中“L”指分离得到的离子液d，图2(b)中“M”指分离得到的木糖。由图2(a)、(b)可分别看出，得到的离子残液d和木糖与离子液标准品、木糖标准品的位置相一致，证实木糖从玉米秸秆中被分离出来。

③纤维素水解和木质素分离：将步骤②得到的沉淀b与离子残液d混合，在密封条件下于80℃搅拌反应2h，形成浆液，然后加入适量盐酸调至浆液pH为2.5，继续反应4h(以保证木质纤维原料中的纤维素全部水解，转化成葡萄糖，在反应过程中，每隔1h与离子液、木糖和葡萄糖标准品用薄层色谱进行分析追踪，所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3，其薄层色谱结果见图3，图中的标示符号参见图1)，冷却至室温，加入两倍浆液体积的去离子水，得固液混合物e，将固液混合物e抽滤分离得到木质素固体f和溶液g。

木质素固体f与刚果红染料显色，没有形成红色复合物生成，说明固体物不是纤维素一样的多糖物质，与文献(K.

R.Bura，etal，Effect of hemicellulose and lignin removal on enzymatic hydrolysis of steam pretreated corn stover.Bioresource Technology，2007(98)2503～2510)报道的腐黑质一致，证明是木质素。

④葡萄糖分离：将溶液g用葡聚糖凝胶柱分离，去离子水洗脱，蒸除去离子水，即得到葡萄糖和离子残液h(具体分离过程可参照步骤②中葡聚糖凝胶柱从溶液c中分离木糖的过程)。分离得到的葡萄糖和离子残液h分别与离子液、木糖和葡萄糖标准品进行薄层色谱分析，其中所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3，薄层色谱结果见图4，图4(a)中“L′”指离子残液h，图4(b)中“P”指分离得到的葡萄糖。由图4(a)、(b)可分别看出，得到的离子残液h和葡萄糖分别与离子液标准品、葡萄糖标准品的位置相一致，证实葡萄糖从玉米秸秆中被分离出来。

将步骤④得到的离子残液h经薄层层析追踪分析，与离子液标准品对照，合并相同组份，减压蒸除去离子水，得到再生离子液，可循环利用，再次用于形成浆液。

验证试验：

取14.6g的去离子水，加入适量盐酸调节pH值为4.5，将其加入到圆底烧瓶，再称取2.9g干燥过的、过160目筛的玉米秸秆粉末加入圆底烧瓶中，用配套的塞子密封后，将其置于80℃油浴中搅拌反应9h，冷却至室温，加入两倍浆液体积的去离子水，得到固液混合物，将固液混合物离心分离，取上清液进行薄层色谱分析，并与木糖和葡萄糖标准品的薄层色谱进行对比，所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3，结果见图5，图5中“样”指上清液。

由图5可看出，当只有酸存在(而无离子液的参与反应)时，用盐酸调节pH值至4.5，同样反应9h，木质纤维原料(玉米秸秆粉末)发生一次性水解，水解产物为木糖和葡萄糖的混合糖。也就是说没有离子液的参与，无法实现半纤维素和纤维素的分步水解。

实施例2：

一种离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，包括如下步骤：

①预处理和半纤维素水解反应：称取15.30g 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐于圆底烧瓶中，再加入1.00g干燥过的、过200目筛的麦秸粉末，用配套的塞子密封后，置于100℃油浴中在磁力搅拌器上搅拌反应3h，形成浆液，然后加入适量盐酸调至浆液pH为5.3，继续反应5h(以保证木质纤维原料中的半纤维素首先水解，转化成木糖，在反应过程中，每隔1h与离子液、木糖和葡萄糖标准品用薄层色谱进行分析追踪，所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3)，冷却至室温，加入与浆液等体积的去离子水，得固液混合物a。预处理和半纤维素水解反应过程中每隔1h对应的浆液薄层色谱板见图6(图中标示参见图1)。

②木糖的分离：将上述固液混合物a移入离心管中，用离心机在10000r/min的转速下离心，得沉淀b和溶液c(即上清液)，将上清液用活性炭柱分离，去离子水洗脱，薄层色谱分析追踪，收集的样品被蒸除去离子水，分别得到木糖和离子残液d。

活性炭柱从溶液c中分离木糖的过程为：取20g粒状活性炭，然后将柱垂直固定于铁架台上，先加入1/3柱体积的去离子水，使它们在柱内自然沉降(柱内活性炭必须填实不能有气泡)，装好后，用去离子水平衡2h，加入溶液c，加完后，速放出液体至加样液体与活性炭面相齐，加入去离子水进行洗脱。将接收的各部分液体通过薄层色谱分析，相同的馏分加以合并，然后收集的样品被蒸除去离子水，即分别得到木糖和离子残液d(将离子残液d回收，用于步骤④木质素分离)，将其分别与离子液、木糖和葡萄糖标准品用薄层色谱进行分析，所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3，薄层色谱板见图7，图7(a)中“L”指分离得到的离子残液d，图7(b)中“M”指分离得到的木糖。由图7(a)、(b)可分别看出，得到的离子残液d和木糖与离子液标准品、木糖标准品的位置相一致，证实木糖从麦秸中被分离出来。

③纤维素水解和木质素分离：将步骤②得到的沉淀b与离子残液d混合，在密封条件下于100℃搅拌反应3h，形成浆液，然后加入适量盐酸调至浆液pH为3.2，继续反应3h(以保证木质纤维原料中的纤维素全部水解，转化成葡萄糖，在反应过程中，每隔1h与离子液、木糖和葡萄糖标准品用薄层色谱进行分析追踪，所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3，其薄层色谱结果见图8，图中的标示符号参见图1)，冷却至室温，加入与浆液等体积的去离子水，得固液混合物e，将固液混合物e抽滤分离得到木质素固体f和溶液g。

木质素固体f与刚果红染料显色，没有形成红色复合物生成，说明固体物不是纤维素一样的多糖物质，与文献(K.R.Bura，etal，Effect of hemicellulose and lignin removal on enzymatic hydrolysis of steam pretreated corn stover.Bioresource Technology，2007(98)2503～2510)报道的腐黑质一致，证明是木质素。

④葡萄糖分离：将溶液g用活性炭柱分离，去离子水洗脱，蒸除去离子水，即得到葡萄糖和离子残液h(具体分离过程可参照步骤②中活性炭柱从溶液c中分离木糖的过程)。分离得到的葡萄糖和离子残液h分别与离子液、木糖和葡萄糖标准品进行薄层色谱分析，所用展开剂为氯仿-甲醇混合液，其中V_氯仿∶V_甲醇＝7∶3，薄层色谱板见图9，图9(a)中“L′”指离子残液h，图9(b)中“P”指分离得到的葡萄糖。由图9(a)、(b)可分别看出，得到的离子残液h和葡萄糖分别与离子液标准品、葡萄糖标准品的位置相一致，证实葡萄糖从麦秸中被分离出来。

离子残液h经薄层层析追踪分析，与离子液标准品对照，合并相同组份，减压蒸除去离子水，即为再生离子液，可再次用于形成浆液。

Claims (4)

1.一种离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，其特征在于，包括如下步骤：

①预处理和半纤维素水解反应：将离子液与干燥过的、过160～200目筛的木质纤维原料混合，在密封条件下于80～100℃搅拌预处理2～3h，形成浆液，然后加入适量无机酸调至浆液pH为4.5～5.3，继续反应5～7h，冷却至室温，加入去离子水，得固液混合物a，所述离子液与木质纤维原料质量比为5～15，所述加入的去离子水与浆液的体积比为1～2；

②木糖的分离：将上述固液混合物a分离得沉淀b和溶液c，将溶液c通过葡聚糖凝胶柱或活性炭柱分离，去离子水洗脱，蒸除去离子水，分别得到木糖和离子残液d；

③纤维素水解和木质素分离：将沉淀b与离子残液d混合，在密封条件下于80～100℃搅拌反应2～3h，形成浆液，然后加入适量无机酸调至浆液pH为2.5～3.2，继续反应3～5h，冷却至室温，加入去离子水，得固液混合物e，将固液混合物e分离得到木质素固体f和溶液g，所述加入的去离子水与浆液的体积比为1～2；

④葡萄糖分离：将溶液g通过葡聚糖凝胶柱或活性炭柱分离，去离子水洗脱，蒸除去离子水，即得到葡萄糖和离子残液h。

2.如权利要求1所述离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，其特征在于，将离子残液h经薄层层析追踪分析，与离子液标准品对照，合并相同组份，减压蒸除去离子水，得到再生离子液，用于形成浆液。

3.如权利要求1所述离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，其特征在于，所述离子液为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐，所述无机酸为盐酸。

4.如权利要求1至3任一所述离子液可控水解木质纤维原料获取木糖、葡萄糖及木质素的方法，其特征在于，所述木质纤维原料为玉米秸秆、麦秸或稻草。

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