CN104946701A

CN104946701A - 一种提高纤维素酶解产糖率的方法

Info

Publication number: CN104946701A
Application number: CN201410120195.3A
Authority: CN
Inventors: 谢海波; 赵宗保; 沈宏伟
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明提供一种提高纤维素酶解产糖率的方法，包括以下步骤：1）以纤维素为原料；2）将纤维素溶解于CO₂开关型离子化合物中或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂中，得到含有纤维素的溶液；3）在纤维素溶液中加入反溶剂，使溶解的纤维素再生、过滤、分离获得预处理过的纤维素材料；4）取一定量的再生纤维素，加入缓冲溶液与纤维素酶进行酶解，获得葡萄糖溶液。本发明使用CO₂开关型离子化合物或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂为溶剂，对纤维素进行溶解预处理，具有工艺简单，溶剂成本低，操作方便，溶剂可循环使用，纤维素酶水解速度快、产糖率高等优点。

Description

一种提高纤维素酶解产糖率的方法

技术领域

本发明涉及一种利用纤维素为原料制备，通过利用CO₂开关型离子化合物中或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂预处理纤维素，通过酶解制备葡萄糖的方法，属于生物质利用与生物化工产品领域。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的日益短缺，天然纤维素作为自然界中最为丰富的可再生资源受到人们越来越多的关注。由于纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，是组成植物细胞壁的主要成分。棉花、亚麻、芋麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。木头中纤维素含量约为50％，棉花的纤维素含量更高，达90%。木材中的纤维素则常与半纤维素和木质素共同存在。纤维素是一种复杂的多糖，有8000至10000个葡萄糖残基通过β-1,4-糖苷键连接而成。通过对纤维素进行化学催化水解与酶解可以制备重要的化工原料葡萄糖。以葡萄糖为原料可以通过化学催化方法与生物转化方法可以制备一系列的能源化工产品，如生物乙醇、微生物油脂、丁醇、5-羟甲基糠醛等。而传统上，葡萄糖主要来自淀粉。随着以葡萄糖为原料制备能源、化工产品技术发展，对葡萄糖的供给提出了新的要求。而传统的以淀粉为原料制备葡萄糖，因为淀粉为食品资源，其来源受到资源与政策的限制，因此，如何通过利用纤维素原料，高效制备葡萄糖受到了普遍的关注。

而天然纤维素为高度结晶聚合物，由于其分子间与分子内部强的氢键作用，使其不溶于传统的有机溶剂，对化学、生物催化剂的响应较低。为了获得高的纤维素水解效率，必须要对纤维素进行预处理，以改变其晶体结构与物理形态，提高相应化学催化剂、酶的可及度及催化效率。最近基于离子液体溶解纤维素、木质纤维素材料，实现纤维素（Biotechnology and Bioengineering,2011,108,511-520）、木质纤维素的溶解预处理（Green Chemistry,2012,14,1202-1210），从而提高其酶解效率，由于其高效性，获得了广泛的关注。中国专利201110008782.X保护了一种利用离子液体预处理提高纤维素酶解产糖的方法。转过专利201210144959.3保护了一种提高木质纤维素酶水解率的预处理方法，也是利用离子液体为溶剂。通过离子液体溶解纤维素、木质纤维素实现其预处理，可以显著提高其酶解效率，其所用的离子液体液体都是传统咪唑盐离子液体。而传统咪唑盐离子液体价格昂贵，回收、纯化、循环利用成本高，大大了限制了该过程的经济性能。

为了实现纤维素的溶解预处理，其溶解新体系的开发是技术突破的关键。中国专利201210374955.4保护了一种纤维素溶液溶解纤维素和再生纤维素的方法，其主要特征是利用廉价的，容易制备的CO₂开关性离子化合物或CO₂开关性离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂体系溶解加工纤维素。作为一种新的纤维素溶解体系，为纤维素的均相化学改性及溶解预处理提供了一个良好的平台。而基于此溶解加工平台的纤维素溶解预处理，再通过酶解技术制备葡萄糖还没有相关文献及专利报道。本发明专利是基于此平台，开发的纤维素溶解预处理，提高其酶解效率，高效制备纤维素基葡萄糖。基于葡萄糖的重要应用价值，该溶解预处理技术具有廉价，易制备，易循环使用等特点，具有很好的工业应用前景。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种利用CO₂开关型离子化合物中或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂为纤维素溶剂，实现纤维素的溶解预处理，从而提高其后续酶水解效率。该方法解决了目前生产纤维素溶解预处理的方法存在的溶剂成本高，提纯回收利用成本高等问题，

本发明利用纤维素为原料，利用CO₂开关型离子化合物中或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂为纤维素溶剂，实现纤维素的溶解预处理，从而提高其后续酶水解效率，它是按照如下步骤进行的：

1.以纤维素为原料；

2.将可与CO₂反应形成开关型离子化合物（Switchable ionic compounds）中的一种或两种以上化合物原料与纤维素混合形成预溶解体系；

或将可与CO₂反应形成开关型离子化合物中的一种或两种以上化合物原料与纤维素以及对纤维素具有良好溶胀作用的有机溶剂混合形成预溶解体系；

或将CO₂开关型离子化合物（Switchable ionic compounds）中的一种或两种以上与纤维素混合形成预溶解体系；

或将CO₂开关型离子化合物中的一种或两种以上与纤维素以及对纤维素具有良好溶胀作用的有机溶剂混合形成预溶解体系；

3.往体系通入CO₂，将该混合体系加热、搅拌溶解，释放CO₂压力后，获得纤维素溶液；

4.在纤维素溶液中加入反溶剂，使溶解的纤维素再生，过滤、分离获得预处理过的纤维素材料；

5.取一定量的再生纤维素，加入缓冲溶液与纤维素酶进行酶解，获得葡萄糖溶液。

进一步地，本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖率的方法，它还可以具有如下特点:所用的纤维素原料为：微晶纤维素、α-纤维素、棉花和木浆、竹子浆、农林废弃物秸秆、农作物种子皮壳中所制植物纤维素的一种或是上述至少两种纤维素的混合物。具体说包括：稻草、麦秸、芦苇秸秆、棉花秸秆、花生秸秆、花生壳，玉米秸秆、玉米页、玉米穗皮、甘蔗渣为原料提取纤维素的一种或者至少两种的混合物。而各种富纤维素浆或纤维素的获取方式不受限制。特别是，当纤维素、木质素、半纤维素共存时，如直接利用玉米秸秆为纤维素原料，也适用于本专利。

本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖率的方法，其中，第（2）步骤的具体过程是：

（a）：将等化学计量的可以形成CO₂开关型离子化合物的有机碱与醇或胺、纤维素、有机溶剂加入溶解釜中，盖上反应釜，通入CO₂,形成CO₂开关型离子化合物-纤维素或形成CO₂开关型离子化合物与有机溶剂-纤维素的混合溶液，所形成的CO₂开关型离子化合物具有如下结构特征：

其中阳离子结构为以下结构中的一种或两种以上：

A系列,R₁,为碳原子数为1-6的烷基、碳原子数为3-10的乙氧基聚乙二醇基或甲氧基聚乙二醇基，R₂,R₃,R₄为独立的甲基；

B系列，n=1或n=2；m=1-6；R为独立的氢、甲基或乙基;R₁为独立的氢、碳原子数为1-6的烷基、碳原子数为3-10的乙氧基聚乙二醇基、甲氧基聚乙二醇基、碳原子数为1-6的羟基化烷基或碳原子数为4-8的聚乙二醇基；R₂,R₃,R₄,R₅为独立的氢或甲基或乙基；

其中阴离子结构为一下结构中的一种或两种以上：

其中：

A系列，R为碳原子数为1-2的烷基、碳原子数为3-4的乙氧基聚乙二醇基或甲氧基聚乙二醇基，R₁为碳原子数为1-3的烷基或碳原子数为3-6的聚乙氧基醚基；

B系列，R₁,R₂,R₃,R₄,R₅,R₆,为独立的氢或为碳原子数为1-2的烷基R₇,R₈,R₉,R₁₀,R₁₁,为独立的氢;

C系列，R为苯环上任意位置取代的H，甲基或甲氧基。

优选的，其中阳离子结构特征如下：

其中：

n=1或n=2;R₁为独立的氢或碳原子数为1-6的烷基。

其阴离子结构具有如下优选结构特征中的一种：

其中：R为碳原子数为1-3的烷；R₁为碳原子数为1-3的烷基。

混合溶液中纤维素质量百分含量为2%-20%。优选质量百分含量为4%-10%。

混合溶液中充入CO₂压力0.1MPa-15MPa.优选CO₂压力0.5MPa-6MPa.混合溶液中CO₂离子化合物摩尔百分含量为5%-99%.优选摩尔百分含量为5%-40%。

混合溶剂中有机溶剂是以下溶剂中的一种或两种以上：二甲基亚砜（DMSO）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、四甲基脲、四乙基脲、N，N-二甲基咪唑啉酮、N,N,二甲基甲酰胺、N,N,-二乙基乙酰胺、吡咯烷酮、2-氮己环酮，ε-己内酰胺、N,N-二甲基丙烯基脲、环丁砜或戊间二烯砜。优选二甲基亚砜（DMSO）、N，N-二甲基咪唑啉酮、N,N,二甲基甲酰胺、环丁砜或戊间二烯砜中的一种或两种以上。

(b)加热，搅拌溶解纤维素，获得纤维素溶液，其溶解条件具体特征是：

温度范围:30℃-150℃。溶解时间范围:为0.1小时-24小时。

优选溶解条件为：温度范围:50℃-100℃；溶解时间范围:为0.5小时-10小时。

本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖率的方法，其中，第（4）步骤的具体过程是：

(a)体系温度降低到室温，释放CO₂压力，往体系里加入反溶剂。本过程，其冷却方式不受限制。加入反溶剂的目的是使溶解的纤维素很好的再生，从而可以方便实现预处理过的纤维素的分离，从而获得活性纤维素样品;

其所述的反溶剂为水或C₁-C₃低级脂肪醇，溶剂与反应混合溶液的体积比为0.5:1-10:1；优选地，溶剂与反应混合溶液的体积比为1:1-5:1。为了简单的实现溶剂体系循环使用，加入的溶剂优选甲醇或乙醇。

(b)分离沉淀出来的产品，分离过程可以通过各种方式，分离方式不受限制，只要能将固液分离即可，优选离心分离，过滤等。

(c)为了去除溶剂，降低残留溶剂对后续酶解的效率的影响，利用水或C₁-C₃低级脂肪醇对分离获得的固体纤维素酯样品进行洗涤、纯化、干燥。其中所使用溶剂水或C₁-C₃低级脂肪醇相对于产品质量比为：1:1-100:1，洗涤1-10遍，干燥后获得产物。优选溶剂用量相对于产品质量为20:1-50:1,洗涤2-3遍。其干燥方法不受限制。

本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖的方法，及主要科学特征是，基于纤维素的溶解再生过程中纤维素物理、化学结构的变化，如纤维素晶体结构从纤维素I型到纤维素II型的转变，以及纤维素链与链之间的堆积形态等。这些变化，将大大提高纤维素链与纤维素酶的接触面积，从而提高纤维素酶的转化效果，提高纤维素的酶水解效率。

纤维素晶体结构的转变，我们通过广角X射线衍射进行了确认，具体见图2；同时其表面形貌，我们通过扫描电镜进行了确认，具体见图3。

本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖率的方法,其中，第（5）步骤的具体过程是：

取一定量的再生纤维素，加入缓冲溶液与纤维素酶进行酶解，获得葡萄糖溶液。其特征在于：所述的缓冲液的pH值与所选的纤维素酶的使用范围一致，以保证最大程度发挥酶的活性。其中，所述的纤维素酶为绿色木霉、里氏木霉、黑曲霉、康宁木霉、海枣曲霉中的任何一种。随着各种新酶或复合酶制剂的出现，因此，酶的使用种类不受限制。酶的用量相对于纤维素的使用量来计算为5FPU/克-50FPU/克，更优选为10FPU/克-30FPU/克。酶解过程中，固液比，搅拌速度，及温度不受特别限制，但是为了获得更好的酶解效果，酶解过程中，固液比为优选1：5，搅拌速度为100～400转/分钟，40～60℃内某一恒定温度下进行酶解5-72小时。

其溶解预处理时间对后续酶解效率的影响，我们通过对不同预处理条件下获得的纤维素的酶解效果来说明。具体见图4。

本发明使用CO₂开关型离子化合物或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂为溶剂，对纤维素进行溶解预处理，具有工艺简单，溶剂成本低，操作方便，溶剂可循环使用，纤维素酶水解速度快、产糖率高等优点。

附图说明

图1本发明流程图；

图2不同纤维素原料与预处理纤维素材料广角X射线衍射比较分析；

图3纤维素原料与预处理过的纤维素材料扫描电镜研究；

图4不同预处理条件下纤维素酶解后葡萄糖产率；

图5纤维素原料与预处理过的纤维素材料酶解动力学研究。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明描述的方法，但不局限于本发明的内容。

实施例1

图1为本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖率的方法的流程示意图。如图1所示，它是按照如下步骤进行的：

1.以纤维素为原料；

具体技术流程如图1。

实施例2

将甲醇（0.039摩尔,0.8克）,四甲基胍（0.039摩尔，4.5克），DMSO(12.2克)，玉米秸秆纤维素2.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.2MPa，加热到50℃，溶解60分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入醋酸-醋酸钠缓冲溶液,固液比为1：10，绿色木霉添加量为15FPU/g，摇床速率：100转/分钟，酶解条件为pH4.5，温度50℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产率：95%。

实施例3

将乙二醇（0.018摩尔,1.14克）,四甲基胍（0.036摩尔，4.14克），DMSO(12.7克)，微晶纤维素1.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.2MPa，加热到50℃，溶解60分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1：20，绿色木霉添加量为20FPU/g，摇床速率：400转/分钟，酶解条件为pH4.8，温度50℃，酶解时间为24小时。不同时间，取样进行葡萄糖分析，结果见图5。未预处理的纤维素酶解很慢（B曲线），通过本发明专利预处理方法，纤维素酶解效率显著提高，从图5A曲线可以发现，通过24小时酶解，葡萄糖产率将近100%。

实施例4

将甘油（0.03摩尔,2.76克）,四甲基胍（0.01摩尔，1.15克），DMSO(14.0克)，麦草纤维素3.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在1MPa，加热到60℃，溶解120分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入200ml无水乙醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*200ml无水乙醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1：5，里氏木霉添加量为20FPU/g，摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH5.5，温度50℃，酶解时间为48小时。葡萄糖产率95%。

实施例5将甲醇（0.04摩尔,1.28克）,1,8-二氮杂环[5,4,0]十一烯-7（0.04摩尔，6.09克），DMSO(11.0克)，杨木纤维素2.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.1MPa，加热到60℃，溶解240分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入200ml无水乙醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*200ml无水乙醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1：5，康宁木霉添加量为10FPU/g，摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH4.8，温度50℃，酶解时间为48小时。葡萄糖产率96%。

实施例6

将乙二醇（0.018摩尔,1.14克）,四甲基胍（0.036摩尔，4.14克），DMF(12.0克)，松木纤维素2.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在2.0MPa，加热到50℃，溶解300分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入稀硫酸溶液,固液比为1:10，海枣曲霉添加量为10FPU/g，摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH4.8，温度50℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产率将近95%。

实施例7

将甲醇（0.4摩尔,12.8克）,四甲基胍（0.4摩尔，46.0克），微晶纤维素6.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.2MPa，加热到80℃，溶解240分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入200ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*200ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1：5，里氏木霉添加量为30FPU/g，摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH6.0，温度50℃，酶解时间为5小时。葡萄糖产率：85%。此实施例说明，在没有有机溶剂存在下，CO₂开关型离子化合物可以作为溶剂，溶解预处理纤维素，从而提高其酶解效率。

本发明专利也包括先合成CO₂开关型离子化合物，然后再和纤维素混合进行溶解预处理，可以获得同样的效能，我们通过如下实施例来予以说明：

实施例8

将乙二醇（0.18摩尔,11.4克）,四甲基胍（0.36摩尔，41.4克），加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.5MPa，反应10分钟，释放CO₂，打开反应釜，再加入10克纤维素，盖上反应釜，充如0.5MPa的CO₂，升高温度到50℃，溶解60分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1:10，海枣曲霉添加量为5FPU/g，摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH5，温度50℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产率：95%。

实施例9

将2-(3-羟基丙基)-1，1，3，3-四甲基胍（0.05摩尔，8.7g），DMSO(14.0克)，麦草纤维素3.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.2MPa，加热到80℃，溶解120分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入200ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*200ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1：10，里氏木霉添加量为20FPU/g，摇床速率：500转/分钟，酶解条件为pH5，温度50℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产率：99%。

本发明专利保护的一种提高纤维素酶解效率的方法，其基本特征之一是其很好的循环使用性质，我们通过下面实施例予以说明

实施例10

将乙二醇（0.018摩尔,1.14克）,四甲基胍（0.036摩尔，4.14克），DMSO(12.0克)，稻草纤维素2.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在2.0MPa，加热到80℃，溶解300分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1:10，里氏木霉添加量为10FPU/g，酶解条件为pH5，温度50℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产率将近95%。收集、合并滤液，通过蒸馏的方法去掉甲醇，收集甲醇用于下一步纤维素的再生过程，残留溶液17.25g,溶剂再生率>99%。再生的溶剂直接用于下一步纤维素溶解，在体系中加入纤维素2.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在2.0MPa，加热到60℃，溶解300分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1:10，纤维素酶添加量为10FPU/g，摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH5，温度50℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产率将近95%。说明体系具有很好的循环使用性质。

自然界中的纤维素一般都和半纤维素、木质素共存，为了更好的经济性，直接利用木质纤维素里的纤维素为原料也适用于本发明专利，特以以下实施例予以说明：

实施例11

将乙二醇（0.018摩尔,1.14克）,四甲基胍（0.036摩尔，4.14克），DMSO(12.7克)，玉米秸秆粉末1.0克混合，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在6.0MPa，加热到100℃，溶解10小时。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100ml无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100ml无水甲醇洗涤，每次洗涤1h，以完全去掉溶剂，然后干燥，获得溶解预处理过的纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生纤维素为原料，加入醋酸-醋酸钠缓冲溶液,固液比为1：10，里氏木霉添加量为50FPU/g，摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH5，温度酶解时间为72小时。葡萄糖产率：90%。

Claims

1.一种提高纤维素酶解产糖率的方法，其特征在于：它是按照如下步骤进行的：

（1）以纤维素为原料；

（2）将纤维素溶于CO₂开关型离子化合物中或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂中，形成纤维素溶液;

（3）在纤维素溶液中加入反溶剂，使溶解的纤维素再生，过滤、分离获得预处理过的纤维素材料；

（4）取再生纤维素，加入缓冲溶液与纤维素酶进行酶解，获得葡萄糖溶液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所用的纤维素原料为：微晶纤维素、α-纤维素、棉花、木浆粕、竹子浆粕、以及从农林物秸秆、农作物种子皮壳中分离所制植物纤维素的一种或是两种以上纤维素的混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将纤维素溶于CO₂开关型离子化合物中或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂，形成纤维素溶液的过程为：

（1）将可与CO₂反应形成开关型离子化合物（Switchable ionic compounds）中的一种或两种以上化合物原料与纤维素混合形成预溶解体系；

（2）往体系通入CO₂，将该混合体系加热、搅拌溶解，释放CO₂压力后，获得纤维素溶液；

所使用的CO₂开关型离子化合物的阳离子具有如下结构特征的一种或两种以上：

其中：

A系列,R₁,为碳原子数为1-6的烷基、碳原子数为3-10的乙氧基聚乙二醇基、甲氧基聚乙二醇基，R₂,R₃,R₄为独立的甲基；

B系列，n=1或n=2；m=1-6；R为独立的氢、甲基、乙基;R₁为独立的氢或碳原子数为1-6的烷基、碳原子数为3-10的乙氧基聚乙二醇基、甲氧基聚乙二醇基、碳原子数为1-6的羟基化烷基或碳原子数为4-8的聚乙二醇基；R₂,R₃,R₄,R₅为独立的氢、甲基或乙基；

所使用的CO₂开关型离子化合物的阴离子结构具有如下结构特征中的一种或两种以上：

其中：

A系列，R为碳原子数为1-2的烷基、碳原子数为3-4的乙氧基聚乙二醇基或甲氧基聚乙二醇基，R₁为碳原子数为1-3的烷基、碳原子数为3-6的聚乙氧基醚基；

B系列，R₁,R₂,R₃,R₄,R₅,R₆,为独立的氢或为碳原子数为1-2的烷基;

C系列，R为苯环上任意位置取代的H、甲基或甲氧基。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所使用的CO₂开关型离子化合物的阳离子具有如下优选结构特征的一种：

其中：

n=1或n=2;R₁为独立的氢或碳原子数为1-6的烷基；

其阴离子结构具有如下优选结构特征中的一种：

其中：R为碳原子数为1-3的烷基；R₁为碳原子数为1-3的烷基。

5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：

所述有机溶剂具有如下特征：

有机溶剂是以下溶剂中的一种或两种以上：二甲基亚砜（DMSO）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、四甲基脲、四乙基脲、N，N-二甲基咪唑啉酮、N,N,二甲基甲酰胺、N,N,-二乙基乙酰胺、吡咯烷酮、2-氮己环酮、ε-己内酰胺、N,N-二甲基丙烯基脲、环丁砜、戊间二烯砜；

混合溶剂中，CO₂开关型离子化合物摩尔浓度为5%-99%；优选CO₂开关型离子化合物摩尔浓度为:5%-40%。

6.如权利要求3所述溶解纤维素的方法，其特征在于：往体系通入一定压力的CO₂，形成开关型离子化合物、或形成开关型离子化合物与对纤维素具有良好溶胀作用的有机溶剂组成的混合溶液体系，该方法可选择的CO₂压力范围为0.1Mpa-15Mpa；为获得良好的溶解效果，更优选CO₂压力范围为0.5Mpa-1.0Mpa；

溶解纤维素形成纤维素溶液的过程：反应于密闭容器内进行，采用的加热方式不受限制，其温度范围可选择30℃-150℃；其温度范围更优选50℃-80℃。

7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：纤维素溶液中纤维素的质量浓度为2%-20%，优选浓度为4%-10%。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤（3）在纤维素的CO₂开关型离子化合物或CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂的溶液中加入反溶剂，使溶解的纤维素沉淀、分离；其所述的反溶剂具有如下特征：其为水或C₁-C₃低级脂肪醇，其与均相反应后溶液的体积比为0.5:1-10:1；优选地，所述的C₁-C₃低级脂肪醇为甲醇、乙醇或异丙醇中的一种或两种以上。

9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于：步骤（5）将分离得到的纤维素产品提纯、干燥后，得到预处理过的纤维素样品；

其纯化过程具有如下特征：使用溶剂水或C₁-C₃低级脂肪醇（溶剂相对于产物质量比为：1:1-100:1）洗涤1-5遍，干燥后获得产物；

优选溶剂相对于产物质量为20:1-50:1,洗涤2-3遍。

10.按权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）取一定量的再生纤维素，加入缓冲溶液与纤维素酶进行酶解，获得葡萄糖溶液；

所述的缓冲液的pH值与所选的纤维素酶的使用范围一致，以保证最大程度发挥酶的活性；

所述的纤维素酶为绿色木霉、里氏木霉、黑曲霉、康宁木霉、海枣曲霉中的任何一种或两种以上；相对于所用纤维素的量，纤维素酶用量为5FPU/克-50FPU/克；

酶解过程中，搅拌速度为50～400转/分钟，40～60℃内某一恒定温度下进行酶解5-72小时。