CN102690897A

CN102690897A - 一种纤维素制备还原糖的两步水解法

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Publication number: CN102690897A
Application number: CN2012101631755A
Authority: CN
Inventors: 倪金平; 王海量; 朱锦
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN102690897B

Abstract

本发明公开了一种纤维素制备还原糖的两步水解法，包括如下步骤：（1）将纤维素溶解到溶剂中得到纤维素溶液，在所述纤维素溶液中，纤维素在第一催化剂作用下与水接触进行第一步水解，得水解液，向所述水解液中添加沉淀剂，沉淀后分离得到沉淀物；（2）将步骤（1）中得到的沉淀物以水为介质添加第二催化剂，进行第二步水解得到还原糖，还原糖产率达40~85%。本发明还公开了所述的纤维素制备还原糖的两步水解法在糖类化合物工业发酵制备乙醇、乳酸等化合物的应用。本发明采用的纤维素溶剂、催化剂以及沉淀剂可以有效分离重复利用，且水解条件相对温和、酸催化剂用量少、具有操作简单、能耗低、反应快、产率高等特点。

Description

一种纤维素制备还原糖的两步水解法

技术领域

本发明涉及纤维素水解方法，具体涉及一种纤维素制备还原糖的两步水解法。

背景技术

随着能源与环境问题日益突出，有效利用生物质材料成为当今研究的热点领域之一。目前，诸如玉米淀粉、甘蔗和甜菜等原料用于生产燃料乙醇。但是，由于适用于这些农作物的农田有限以及与人和动物食物链的竞争，对这些生物质材料的利用是不可持续发生的。而纤维素是地球上最丰富的天然可再生资源，每年产量超过1000亿吨，超过现有的石油储藏量，实现纤维素替代石化资源获取化工产品和燃料是保证国家资源和能源安全的战略要求。

纤维素是由葡萄糖单元通过β-1,4糖苷键链接组成的线性天然高分子。纤维素中的羟基易与分子内或相邻纤维素分子上含氧基团形成氢键，这些氢键使得纤维素容易形成构型非常稳定的结晶结构，从而使得纤维素的定向转化成为一个技术难点。因此，寻找一种经济、有效的纤维素水解方法是实现纤维素转化的关键所在。

目前常用的水解纤维素的方法为酸解法、超临界水水解和酶解法。其中，无机酸和酶水解技术是纤维素水解的传统方法，但是酸解法存在着酸用量大及环境污染严重等问题；酶解法存在速率慢，酶的分离、活性控制困难等问题。因此，越来越多的学者采用快速、高效、绿色的水解技术来开展纤维素的转化研究，例如超临界水、离子液体、固体酸等多种绿色水解技术应用于纤维素的水解转化。

Ehara和Saka首次采用超临界水与亚临界水的联合水解技术，得到35.6%己糖的产率（K.Ehara and S.Saka,J.Wood.Sci,2005,51,148-153.）。超临界水具有反应速率快、无需催化剂等特点，但是该技术在高温高压苛刻条件，对纤维素的水解难以控制，还原糖的选择性差，产率低，副产物多，从而增加了后续处理过程的复杂性和成本。

离子液体是纤维素的绿色溶剂，Binder and Raines（J.B.Binder and R.T.Raines,PNAS,2010,107,4516-4521.）采用离子液体水解纤维素得到90%以上葡萄糖产率，但是离子液体与葡萄糖分离困难、价格昂贵等不足，阻碍了它的大规模发展。

固体酸用于纤维素的水解，有效解决了催化剂的回收问题，Fukuoka和Dhepe（Fukuoka and Dhepe.Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45(31),5161-5163.）报道了纤维素在水介质中催化加氢制备多元醇的研究，但是目前采用的贵金属催化剂价格昂贵。Hara等（Hara et al.J.Am.Chem.Soc.2008,130,12787-12793.）和Onda等（Onda et al.Green Chemistry 2008,10,1033.）采用磺酸化固体酸，无氢气作用下水解制备葡萄糖，但是这些催化剂的制备过程复杂、固体酸催化剂用量大等不足，不利于纤维素水解的大规模生产。

发明内容

针对现有技术中液体无机酸用量大、酶水解成本高、固体酸催化剂制备复杂、超临界水水解选择性差及水解产物分离困难等问题，本发明提供了一种纤维素制备还原糖的两步水解法。

一种纤维素制备还原糖的两步水解法，包括如下步骤：

（1）将纤维素溶解到溶剂中得到纤维素溶液，在所述纤维素溶液中，纤维素在第一催化剂作用下与水接触进行第一步水解，得水解液，向所述水解液中添加沉淀剂，沉淀后分离得到沉淀物；

（2）将步骤（1）中得到的沉淀物以水为介质添加第二催化剂，进行第二步水解得到还原糖。

所述的纤维素来源于纸浆、微晶纤维素、脱脂棉、甘蔗渣、农作物秸秆等，其中农作物秸秆占有较大比例。

步骤（1）中为实现水解反应，要向纤维素溶液中加入第一催化剂和水，作为优选，所述步骤（1）中纤维素与水质量比为2~8：1；溶解纤维素的溶剂为二甲基乙酰胺/LiCl、NaOH/尿素、质量百分比浓度为81~85%的磷酸水溶液、离子液体、ZnCl₂水溶液中的至少一种。

溶解纤维素的溶剂中若含有金属氯化物能显著提高纤维素的水解率，这是因为：1）金属离子的水解降低了体系的pH值，促进了纤维素的水解；2）金属离子在水中易以水合离子存在，这种水合离子能够加速纤维素的溶胀，破坏纤维素的晶体结构，从而加快纤维素的水解反应；3）Cl^-具有很强的氢键接受能力，可以和纤维素羟基上的氢形成氢键，促进纤维素的溶解。

离子液体在溶解纤维素的试验中，体现出了溶解温度低、溶解过程容易、溶解时间短、溶解可回收等优良特点，并且离子液体是纤维素非衍生化溶剂，纤维素无需活化就可以与其混合直接溶解。

一定浓度的无机酸、氢氧化钠/硫脲及氢氧化钠/尿素也可直接溶解纤维素。

所述步骤（1）中的第一催化剂为液体酸、固体酸、碱或金属氯化物；

所述液体酸为硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、醋酸、甲酸中的至少一种；

所述固体酸为Amberlyst、酸性沸石、改性粘土或离子交换树脂；

所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；

以质量计，所述的固体酸用量为纤维素质量的10%~50%；所述的液体酸用量为纤维素质量的10%~30%；所述的金属氯化物为纤维素质量的10%~50%。

所述第一步水解温度为40~100℃，第一步水解时间为5~180min。

在酸度一定的情况下，纤维素的水解转化率与水解反应温度和水解反应时间有关：在水解反应时间和催化剂一定的情况下，水解反应有其最佳的温度范围；在其他条件一定的情况下，还原糖得率随水解反应时间的增加而升高，但这个关系不是无限的，随着水解反应时间的增长，纤维素不断转化为还原糖，但同时大量的还原糖转化为副产物，使还原糖得率不断下降。

所述步骤（1）中的沉淀剂为C1~C8的醇、C2~C8的酮、C2~C8的脂肪醚、C4~C8的环醚中的一种或多种；所述的沉淀剂与所述溶剂的体积比为2~5:1。

作为优选，所述的沉淀剂为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、异丁醇、丙酮、丁酮、***或四氢呋喃。

纤维素经所述溶剂溶解后，在第一催化剂作用下，进行第一步水解得到纤维素低聚物，该纤维素低聚物结构与纤维素结构相似，也具有类似的溶解性。因此，在所述溶剂中，通过溶剂与纤维素低聚物分子链之间氢键竞争作用打破该低聚物结晶结构而发生溶解。当加入沉淀剂如乙醇、丙酮等极性物质后，原溶剂与该低聚物之间氢键作用被破坏而发生沉淀。沉底的过程中受到外界力的作用而抑制分子链的重排，从而获得无定形结构。

所述步骤（1）中第一步水解后的水解液经含醇、酮、醚结构的溶剂进行沉淀后，经普通过滤分离法即得中间产物纤维素低聚糖（即所述的沉淀物），为无定形状态。

所述步骤（1）中使用的纤维素溶剂、沉淀剂和第一催化剂可以通过普通蒸馏或减压蒸馏进行分离、循环使用。

所述第二催化剂为液体酸和固体酸中至少一种；所述液体酸为硫酸、盐酸、磷酸、甲酸、醋酸或硝酸；所述固体酸为Amberlyst、酸性沸石、改性粘土或离子交换树脂；

以质量计，所述液体酸用量为纤维素质量的1.5%~12%；所述固体酸用量为纤维素质量的10~50%；所述第二步水解中作为介质的水用量为纤维素质量的15~20倍。其中，所述的液体酸可以与水介质配制成液体酸水溶液后与步骤（1）中得到的沉淀物进行第二步水解得到还原糖。

所述步骤（2）中使用的液体酸可以采用碱中和后作为发酵培养液或者通过色谱柱分离回收，固体酸通过普通过滤分离。

所述步骤（2）中的第二步水解温度为100~160℃，第二步水解时间为30~120min。

作为优选，所述第二步水解温度为160℃，第二步水解时间为120min。

本发明具有以下优点：第一步水解过程中使用的纤维素溶液、第一催化剂和沉淀剂可以有效分离重复利用；第二步水解条件相对温和、水解时间短、酸催化剂用量少；可制备高浓度还原糖溶液，后续处理简单等。

附图说明

图1为本发明一种纤维素制备还原糖的两步水解法路线示意图；

图2为实施例14中纤维素及第一步水解得到的纤维素低聚糖的XRD图。

具体实施方式

采用DNS法确定本发明纤维素制备还原糖的两步水解法中还原糖含量，DNS法的具体原理如下：

纤维素水解产生的纤维二糖、葡萄糖等还原糖能在碱性条件下将3,5-二硝基水杨酸（DNS）还原，生成3-氨基-5-硝基水杨酸，该产物在煮沸条件下显棕红色，用分光光度法测定其特征性光吸收，在540nm处具有最大吸收，在一定范围内还原糖的量与反应液的颜色强度成正比例关系，利用比色法测定还原糖含量。

实施例1

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下加入0.5g第一催化剂Amberlyst A-15，0.75g水，在90℃下进行第一步水解15min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到70.4%。

实施例2

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下加入0.5g第一催化剂Amberlyst A-15，0.75g水，在90℃下进行第一步水解25min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到76.8%。

实施例3

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下加入0.5g第一催化剂Amberlyst A-15，0.75g水，在90℃下进行第一步水解35min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到81.4%。

实施例4

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下加入0.5g第一催化剂Amberlyst A-15，0.75g水，在90℃下进行第一步水解45min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到75.7%。

实施例5

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下加入0.5g第一催化剂Amberlyst A-15，0.75g水，在90℃下进行第一步水解35min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应1h。DNS法测定还原糖产率达到76.1%。

实施例6

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下加入0.5g第一催化剂Amberlyst A-15，0.75g水，在90℃下进行第一步水解35min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，140℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到46%。

实施例7

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下缓慢加入1g第一催化剂质量百分浓度为50%H₂SO₄水溶液（第一催化剂用量以H₂SO₄计，该稀硫酸中的水则可认为是供水解反应而添加），在90℃下水解35min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到43.2%。

实施例8

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下缓慢加入1g第一催化剂质量百分浓度为50%H₂SO₄水溶液，在90℃下进行第一步水解15min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到58.7%。

实施例9

12.5g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下缓慢加入1g第一催化剂质量百分浓度为50%H₂SO₄水溶液，在90℃下进行第一步水解15min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1.5g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到70.4%。

实施例10

12.5g回收离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入2.5g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下缓慢加入1g第一催化剂质量百分浓度为50%H₂SO₄水溶液，进行第一步水解15min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇200mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1.5g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到56.7%。

实施例11

40g离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑氯盐）加热至90℃，搅拌15min熔融，随后加入10g纤维素，搅拌30min后得到纤维素溶液，搅拌下缓慢加入150g二甲基乙酰胺、10gLiCl、1g第一催化剂Amberlyst A-15、1.8g水，进行第一步水解60min，得水解液，向水解液中加入沉淀剂异丁醇400mL析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到62.0%。

实施例12

100g 65%氯化锌水溶液加热至70℃，搅拌下加入2.5g纤维素，60min左右溶解，搅拌下缓慢加入1g第一催化剂Amberlyst A-15，升温至100℃，进行第一步水解60min得水解液，向水解液中加入200mL沉淀剂乙醇析出沉淀，过滤洗涤得到的固体置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到43.2%。

实施例13

100g65%氯化锌水溶液加热至70℃，搅拌下加入2.5g纤维素，60min左右溶解，搅拌下缓慢加入1g第一催化剂Amberlyst A-15，升温至85℃，进行第一步水解60min，得水解液，向水解液中加入200mL沉淀剂乙醇析出沉淀，过滤洗涤得到的固体置于40mL水中，加入1g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到52.9%。

实施例14

100mL85%磷酸冰水浴中搅拌作用下加入10g纤维素，搅拌60min得到粘稠溶液，随后加入1.0g第一催化剂98%硫酸，40℃下进行第一步水解60min，得水解液，向水解液中加入400mL沉淀剂丙酮沉淀析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于100mL水中，加入4g第二催化剂Amberlyst A-15，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到45.2%。

实施例15

100mL85%磷酸冰水浴中搅拌作用下加入10g纤维素，搅拌60min得到粘稠溶液，随后加入1.0g第一催化剂98%硫酸，80℃下进行第一步水解30min，得水解液，向水解液中加入400mL沉淀剂丙酮沉淀析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于200g质量百分浓度为0.6%H₂SO₄水溶液，160℃条件下进行第二步水解反应2h。DNS法测定还原糖产率达到47.6%。

实施例16

100mL85%磷酸冰水浴中搅拌作用下加入10g纤维素，搅拌60min得到粘稠溶液，随后加入1.0g第一催化剂98%硫酸，65℃下进行第一步水解30min，得水解液，向水解液中加入400mL沉淀剂丙酮沉淀析出纤维素低聚物，过滤洗涤得到的纤维素低聚物置于200g质量百分浓度为0.6%H₂SO₄水溶液，160℃条件下反应2h。DNS法测定还原糖产率达到52.6%。

Claims

1.一种纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述步骤（1）中纤维素与水质量比为2~8：1；溶解纤维素的溶剂为二甲基乙酰胺/LiCl、NaOH/尿素、质量百分比浓度为81~85%的磷酸水溶液、离子液体、ZnCl2水溶液中的至少一种。

3.如权利要求2所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述二甲基乙酰胺/LiCl中，二甲基乙酰胺与LiCl的质量比为15：1；NaOH/尿素中，NaOH与尿素的质量比为7：12。

4.如权利要求1所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述步骤（1）中的第一催化剂为液体酸、固体酸、碱或金属氯化物；

所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

5.如权利要求4所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，以质量计，所述的固体酸用量为纤维素质量的10~50%；所述的液体酸或碱的用量为纤维素质量的10~30%；金属氯化物用量为纤维素质量的10~50%。

6.如权利要求1所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述第一步水解温度为40~100℃，第一步水解时间为5~180min。

7.如权利要求1所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述步骤（1）中的沉淀剂为C1~C8的醇、C2~C8的酮、C2~C8的脂肪醚、C4~C8的环醚中的一种或多种；所述的沉淀剂与所述溶剂的体积比为2~5:1。

8.如权利要求7所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述的沉淀剂为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、异丁醇、丙酮、丁酮、***或四氢呋喃。

9.如权利要求1所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述第二催化剂为液体酸和固体酸中至少一种；所述液体酸为硫酸、盐酸、磷酸、甲酸、醋酸或硝酸；所述固体酸为Amberlyst、酸性沸石、改性粘土或离子交换树脂；

所述液体酸用量为纤维素质量的1.5%~12%；所述固体酸用量为纤维素质量的10~50%；所述第二步水解中作为介质的水用量为纤维素质量的15~20倍。

10.如权利要求1所述的纤维素制备还原糖的两步水解法，其特征在于，所述步骤（2）中的第二步水解温度为100~160℃，第二步水解时间为30~120min。