一种提高木质纤维素生物质酶解产糖率的方法
【技术领域】
[0001] 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，木质纤维素里居基 与0)2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】
[0002] 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 萄糖残基通过目-1,4-糖巧键连接而成。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多 聚体，送些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。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W制备重要的化工原料单糖，特别是葡萄糖。W葡萄糖为原料可W 通过化学催化方法与生物转化方法可W制备一系列的能源化工产品，如生物己醇、微生物 油脂、了醇、5-居甲基織醒等。而传统上，葡萄糖主要来自淀粉。随着W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W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。
[0003] 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 强的氨键作用，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，W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，但是会产生織醒、居甲基織醒、己酸等副 产物，影响后续转化利用度ioresource Technology. 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)、碱预处理度iomass and Bioenergy. 2013, 51, 35-42)、生物预处 理度ioresource Technology. 2009, 100, 5170-5175)、氨爆预处理度iotechnology for Bio化el. 2009, 2, 1-11)等预处理方法。虽然送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。
[0004] 最近基于离子液体溶解纤维素、木质纤维素材料，实现纤维素度iotechnology and Bioengineering. 2011, 108, 511-520)、木质纤维素的溶解预处理（Green 化emistry. 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W显著提高其 酶解效率，其所用的离子液体液体都是传统咪哇盐离子液体。而传统咪哇盐离子液体价格 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。
[0005] 最近，基于有机碱存在下居基化合物与C〇2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(?开关性离子化合物或C〇2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0)2开关型离子 化合物或小分子0)2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。而基于送一思想，有机碱存在下，通过利用纤维素、或木质纤维素上居基与0)2 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】
[0006] 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，木质纤维素上居基与C〇2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，
[0007] 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 里居基与0)2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，W提高 其酶解效率制糖的方法，它是按照如下步骤进行的：
[0008] 1) W木质纤维素生物质为原料；
[0009] 2)将木质纤维素生物质、有机碱与有机溶剂混合；
[0010] 3)往混合体系中充入一定压力的C〇2,一定温度下反应一定时间；
[0011] 4)释放C〇2,在体系中加入反溶剂，生物质W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；
[0012] 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。
[0013] 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 W具有如下特点：所用的木质纤维素生物质原料为：农林废弃物枯杆、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、麦枯、芦韦枯杆、棉 花枯杆、花生枯杆、花生壳、玉米枯杆、玉米页、玉米穗皮、甘藏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%。
[0014] 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：
[0015] (a)将有机胺、木质纤维素、有机溶剂加入溶解蓋中，盖上反应蓋，通入C〇2,在一定 温度下反应。有机碱存在下，木质纤维素上的居基与(?反应，形成(?开关型可逆聚电解 质体系：
[0016] 其中阳离子结构为W下结构中的一种或两种W上：
[0017]
[0018] A系列，Ri为碳原子数为1-6的烷基、碳原子数为3-10的己氧基聚己二醇基或甲 氧基聚己二醇基，R2, R3, R4为独立的甲基；
[0019] B系列，η = 1或η = 2 ;m = 1-6 ;R为独立的氨、甲基或己基化为独立的氨、碳原 子数为1-6的烷基、碳原子数为3-10的己氧基聚己二醇基、甲氧基聚己二醇基、碳原子数为 1-6的居基化烷基或碳原子数为4-8的聚己二醇基；R2, R3, R4, Rs为独立的氨或甲基或己基；
[0020] 其中W主要组分纤维素代替木质纤维素结构时，所形成的木质