CN105506025A - 一种提高木质纤维素生物质酶解产糖率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高木质纤维素酶解产糖率的方法，包括以下步骤：1)以木质纤维素生物质为原料；2)将木质纤维素生物质、有机碱与有机溶剂混合；3)往混合体系中充入一定压力的CO₂，反应一定时间；4)释放CO₂，生物质以纤维素的反溶剂再生；5)取一定量的再生木质纤维素生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液。本发明基于有机碱存在下，木纤维素生物质里的羟基与CO₂的可逆反应，破坏木质纤维素生物质里纤维素的晶体结构，随着反应的进行，木质纤维素生物质被有机溶剂溶解或溶胀，对木质纤维素生物质进行溶解预处理，具有工艺简单，溶剂成本低，操作方便，溶剂可循环使用，木质纤维素里的纤维素、半纤维素酶水解速度快、产糖率高等优点。

Description

一种提高木质纤维素生物质酶解产糖率的方法

技术领域

本发明涉及一种利用木质纤维素为原料，利用有机碱存在下，木质纤维素里羟基与CO₂的可逆反应调控木质纤维素里纤维素的晶体结构，预处理木质纤维素，通过酶解制备糖的方法，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，天然木质纤维生物质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。木质纤维素生物质主要由纤维素(35-50％)、半纤维素(20-40％)、木质素(15-25％)组成，其中各个组分的相对含量随着生物质种类及产地的变化而变化。其中，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。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、***糖和半乳糖等。普遍认为，半纤维素和木质素通过共价键链接紧紧的包围在高结晶度的纤维素周围，而使天然木质纤维素生物质在后续的直接化学转化或生物转化过程中表现出较低的效率。通过对纤维素和半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单糖，特别是葡萄糖。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，如何通过利用木质纤维素原料，高效制备糖受到了普遍的关注。

而天然木质纤维素中的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，必须要对天然木质纤维素进行预处理，以改变其晶体结构与物理形态，同时选择性的去除木质素，提高相应化学催化剂、酶的可及度及催化效率。稀酸预处理能够有效的破坏半纤维素的结构，但是会产生糠醛、羟甲基糠醛、乙酸等副产物，影响后续转化利用(BioresourceTechnology.2011,102,9705-9709；北京化工大学学报(自然科学版).2011,38,87-91)。此外，还有气爆预处理(林产化学与工业.2009,29,33-38)、碱预处理(BiomassandBioenergy.2013,51,35-42)、生物预处理(BioresourceTechnology.2009,100,5170-5175)、氨爆预处理(BiotechnologyforBiofuel.2009,2,1-11)等预处理方法。虽然这些方法能够有效的破坏木质纤维素结构，但是因为过程复杂、成本高、副产物多等原因，将会增加后续利用过程的复杂性和资本的投入，不利于放大和规模化生产。

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(BiotechnologyandBioengineering.2011,108,511-520)、木质纤维素的溶解预处理(GreenChemistry.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。中国专利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。

最近，基于有机碱存在下羟基化合物与CO₂反应概念，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。中国专利201410120195.3保护了一种基于小分子CO₂开关型离子化合物或小分子CO₂开关型离子化合物与有机溶剂组成的电解质体系溶解纤维素制备葡萄糖的方法。而基于这一思想，有机碱存在下，通过利用纤维素、或木质纤维素上羟基与CO₂反应，从而破坏其晶体结构，在通过酶解技术制备糖还没有相关文献及专利报道。本发明专利是基于此思想，开发的木质纤维素溶解预处理，提高其酶解效率，高效制备木质纤维素基糖。基于糖，特别是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

为了解决现有木质纤维素生物质制糖技术存在的问题，本发明提供一种利用有机碱存在下，木质纤维素上羟基与CO₂的可逆反应，实现木质纤维素晶体结构变化，木质素分离，实现木质纤维素的溶解预处理，从而提高其后续酶水解效率。该方法解决了目前木质纤维素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，

本发明利用一种利用木质纤维素为原料制，通过利用有机碱存在下，木质纤维素里羟基与CO₂的可逆反应调控木质纤维素里纤维素的晶体结构，预处理木质纤维素，以提高其酶解效率制糖的方法，它是按照如下步骤进行的：

1)以木质纤维素生物质为原料；

2)将木质纤维素生物质、有机碱与有机溶剂混合；

3)往混合体系中充入一定压力的CO₂，一定温度下反应一定时间；

4)释放CO₂，在体系中加入反溶剂，生物质以纤维素的反溶剂再生，再过滤、分离获得预处理过的木质纤维素材料；

5)取一定量的再生木质纤维素生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液。

进一步地，本发明提供的一种提高木质纤维素生物质酶解产糖率的方法，它还可以具有如下特点:所用的木质纤维素生物质原料为：农林废弃物秸秆、农作物种子皮壳中一种或是上述至少两种木质纤维素生物质的混合物。具体包括：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、甘蔗渣为原料一种或者至少两种的混合物。而利用上述原料，通过前期预处理选择性去除部分半纤维素和木质素的纤维素原料，也适用于本专利。木质纤维生物质的物理尺寸及含水量对预处理结果具有重要的影响。为了获得良好的预处理效果，木质纤维素原料具有如下特征：物理尺寸为0.1毫米至5毫米；含水质量分数<8％。

本发明提供的一种提高木质纤维素生物质酶解产糖率的方法，其中，第2)步骤的具体过程是：

(a)将有机胺、木质纤维素、有机溶剂加入溶解釜中，盖上反应釜，通入CO₂,在一定温度下反应。有机碱存在下，木质纤维素上的羟基与CO₂反应，形成CO₂开关型可逆聚电解质体系：

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；

其中以主要组分纤维素代替木质纤维素结构时，所形成的木质纤维素聚阴离子结构为：

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。

混合溶液中木质纤维素质量百分含量为2％-20％。优选质量百分含量为5％-10％。

混合溶液中充入CO₂压力0.1MPa-15MPa。优选CO₂压力0.5MPa-6MPa.混合溶液中有机碱的质量浓度为2％至50％，优选摩尔百分含量为5％-20％。

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，搅拌反应，其反应条件具体特征是：

温度范围：30℃-150℃。溶解时间范围：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-5小时。

本发明提供的一种提高木质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木质纤维素很好的再生，从而可以方便实现预处理过的木质纤维素的分离，从而获得活性木质纤维素样品。

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木质纤维素样品进行洗涤、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木质纤维素酶解产糖的方法，及主要科学特征是，基于有机碱存在下，木质纤维素上羟基与CO₂的可逆反应，从而实现木质纤维素物理、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，以及木质纤维素中组分的堆积形态等。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。

木质纤维素中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，具体见附图(2)；同时其表面形貌，我们通过扫描电镜进行了确认，具体见附图(3)。

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

取一定量的再生木质纤维素，加入缓冲溶液、纤维素酶与木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液。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，通常pH值控制在4.0-6.0，如可以采用pH值为4.8的硫酸水溶液，柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，磷酸氢二钠–柠檬酸缓冲液，磷酸氢二钠–磷酸二氢钾缓冲液，乙酸–乙酸钠缓冲液等等。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木质纤维素的酶解效果来说明。

本发明使用有机碱存在下，木质纤维素上羟基与CO₂的可逆反应来调控木质纤维素的物理、化学结构，对木质纤维素进行预处理，具有工艺简单，溶剂成本低，操作方便，溶剂可循环使用，木质纤维素酶水解速度快、产糖率高等优点。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为不同木质纤维素原料与预处理木质纤维素材料广角X射线衍射比较分析。

图3为木质纤维素原料与预处理过的木质纤维素材料扫描电镜研究。

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

一种提高木质纤维素生物质酶解产糖率的方法，其特征在于：它是按照如下步骤进行的：

1)以木质纤维素生物质为原料；

2)将木质纤维素生物质、有机碱与有机溶剂混合；

3)往混合体系中充入一定压力的CO₂，一定温度下反应一定时间；

4)释放CO₂，在体系中加入反溶剂，生物质以纤维素的反溶剂再生，再过滤、分离获得预处理过的木质纤维素材料；

5)取一定量的再生木质纤维素生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液。

具体见附图1。

实施例2

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：1毫米，含水率<5％)，四甲基胍(3.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.5MPa，加热到100℃，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100毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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/克，0.01克/克底物的比例加入木聚糖酶。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。葡萄糖产量：0.4克/克，总还原糖产量0.65克/克。

实施例3

将麦草木质纤维素(2.0克,物理尺寸：0.1毫米，含水率<8％)，1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(4.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在2MPa，加热到80℃，溶解180分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入100毫升无水乙醇，使溶解的木质纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水乙醇洗涤，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木质纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生纤维素。以再生木质纤维素为原料，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液,固液比为1：20，里氏木霉添加量为20FPU/克，0.03克/克底物的比例加入木聚糖酶。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。葡萄糖产量：0.41克/克，总还原糖产量0.66克/克。

实施例4

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：3毫米，含水率<5％)，四甲基胍(3.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在4.0MPa，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100毫升水，使溶解的木质纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升水洗涤，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木质纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生木质纤维素。以再生木质纤维素为原料，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/克，0.01克/克底物的比例加入木聚糖酶。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。葡萄糖产量：0.38克/克，总还原糖产量0.58克/克。

实施例5

将松木木质纤维素(4.0克，物理尺寸：0.2毫米，含水率<5％)，四甲基胍(6.0克)，DMSO(30.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在1.0MPa，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100毫升甲醇，使溶解的木质纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升甲醇洗涤，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木质纤维素。过滤，收集滤渣，冷冻干燥，得到再生木质纤维素。以再生木质纤维素为原料，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/克，0.01克/克底物的比例加入木聚糖酶。摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH4.8，温度50℃，酶解时间为72小时。葡萄糖产量：0.40克/克，总还原糖产量0.65克/克。

实施例6

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：1毫米，含水率<5％)，三乙基胺(3.0克)，DMSO(15.0克)，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100℃，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100毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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/克，0.01克/克底物的比例加入木聚糖酶。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。葡萄糖产量：0.3克/克，总还原糖产量0.52克/克。实验结果说明有机碱结构对预处理效果具有较大的影响。

实施例7

将玉米秸秆木质纤维素(5.0克，物理尺寸：1毫米，含水率<5％)，四甲基胍(7.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在1.0MPa，加热到100℃，溶解180分钟。冷却，释放CO₂，打开反应釜，在搅拌条件下，在体系中加入300毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*300毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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/克，0.01克/克底物的比例加入木聚糖酶。摇床速率：200转/分钟，酶解条件为pH4.5，温度40℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产量：0.41克/克，总还原糖产量0.62克/克。

实施例8

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：1毫米，含水率<5％)，四甲基胍(6.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.5MPa，加热到80℃，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100毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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pH＝4.8的硫酸水溶液,固液比为1：10，绿色木霉添加量为15FPU/克，0.03克/克底物的比例加入木聚糖酶。摇床速率：50转/分钟，酶解条件为pH4.5，温度60℃，酶解时间为48小时。葡萄糖产量：0.43克/克，总还原糖产量0.66克/克。

实施例9

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：1毫米，含水率<5％)，四甲基胍(3.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.5MPa，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100毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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/克，0.01克/克底物的比例加入木聚糖酶。摇床速率：400转/分钟，酶解条件为pH4.5，温度50℃，酶解时间为24小时。葡萄糖产量：0.30克/克，总还原糖产量0.50克/克。说明溶解预处理温度对预处理效果具有重要影响，升高温度对预处理具有促进作用。

实施例10

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：5毫米，含水率<5％)，四甲基胍(6.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.5MPa，加热到80℃，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100毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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pH＝4.8的硫酸水溶液,固液比为1：10，绿色木霉添加量为15FPU/克，0.03克/克底物的比例加入木聚糖酶。摇床速率：50转/分钟，酶解条件为pH4.5，温度60℃，酶解时间为48小时。葡萄糖产量：0.40克/克，总还原糖产量0.62克/克。

实施例11

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：10毫米，含水率<5％)，四甲基胍(6.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.5MPa，加热到80℃，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100毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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pH＝4.8的硫酸水溶液,固液比为1：10，绿色木霉添加量为15FPU/克，0.03克/克底物的比例加入木聚糖酶。摇床速率：50转/分钟，酶解条件为pH4.5，温度60℃，酶解时间为48小时。葡萄糖产量：0.35克/克，总还原糖产量0.52克/克。原料物理尺寸增大，预处理效果降低。

本发明专利保护的一种提高木质纤维素酶解酶解产糖率的方法，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12

将玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：1毫米，含水率<5％)，四甲基胍(3.0克)，DMSO(15.0克)，加入高压反应釜中，盖紧釜盖，通入CO₂，维持压力在0.5MPa，加热到100℃，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100毫升无水甲醇，使溶解的纤维素再生，过滤，收集滤液。再将滤渣用2*100毫升无水甲醇洗涤，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木质纤维素。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/克，0.01克/克底物的比例加入木聚糖酶。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。葡萄糖产量：0.4克/克，总还原糖产量0.65克/克。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18.7克。通过减压蒸馏回收四甲基胍与DMSO总共17.9克,再生率>99％。另外获得木质素残留物。再生的溶剂直接用于下一步木质纤维素溶解预处理，在体系中加入玉米秸秆木质纤维素(2.0克，物理尺寸：1毫米，含水率<5％)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。葡萄糖产量：0.41克/克，总还原糖产量0.64克/克。说明体系具有很好的循环使用性质。

Claims (10)

1.一种提高木质纤维素生物质酶解产糖率的方法，其特征在于：它是按照如下步骤进行的：

1)以木质纤维素生物质为原料；

2)将木质纤维素生物质、有机碱与有机溶剂混合；

3)往混合体系中充入CO₂进行反应；

4)释放CO₂，在体系中加入反溶剂，生物质以纤维素的反溶剂再生，再过滤、分离获得预处理过的木质纤维素材料；

5)取再生木质纤维素生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所用的木质纤维素原料为：农林物秸秆、农作物种子皮壳、木材中的一种或是两种以上；

其中农作物秸秆如：玉米秆、花生秆、棉花秆、小麦秆、稻草、高粱秆、菊芋秆中的一种或是两种以上；

其中农作物种子皮壳如：花生壳、棉花壳、椰子壳中的一种或是两种以上；

其中木材如：杨木、松木、桦木中的一种或是两种以上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所用的木质纤维素原料具有如下特征：物理尺寸为0.1毫米至5毫米；含水质量分数<8％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将木质纤维素生物质、有机碱与有机溶剂混合，其中有机碱具有如下结构特征：

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。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所使用的有机碱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。

6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：

有机碱与有机溶剂混合形成的混合溶剂中，有机碱的质量浓度为2％至50％；

木质纤维素在有机碱、有机溶剂中质量浓度为2％-30％，优选浓度为5％-10％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)往混合体系中充入的CO₂，反应，该方法可选择的CO₂压力范围为0.1MPa-15MPa；为获得良好的预处理效果，更优选CO₂压力范围为0.5MPa-2.0MPa；

有机碱存在下，木质纤维素上羟基与CO₂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℃-100℃；反应时间为0.1至24小时，其反应时间更优选0.5小时-5小时。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤4)释放CO₂，在体系中加入反溶剂，生物质以反溶剂再生，再过滤、分离获得预处理过的木质纤维素材料；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4)将分离得到的木质纤维素产品提纯、干燥后，得到预处理过的木质纤维素样品；

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5)取再生木质纤维素生物质，加入缓冲溶液与纤维素酶及木聚糖酶进行酶解，获得糖溶液；

所述采用的缓冲液的pH值应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/克底物-50FPU/克底物；0.01～0.03克/克底物的比例加入木聚糖酶；

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。