利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及可再生资源利用及纤维素化学领域，具体地说，设及一种利用离子液 体[Bmim]Cl预处理棉花賴杆的方法。
【背景技术】
[0002] 我国的农作物平均年产量高达6000万吨，有丰富的自然资源，但是利用率低，绝大 多数的农业废弃物都W焚烧的形式处理。在浪费自然资源的同时，对生态环境也造成了一 定的危害。随着科技的进步，把农作物賴杆进行加工，将纤维素水解制还原糖，再转化为燃 料乙醇的研究对我国生态环境和农村经济发展意义重大，也可缓解能源短缺、化石能源的 污染等问题。棉花賴杆中纤维素含量高达32%~46%，用其制备燃料乙醇对于解决能源危 机和环境问题提供了 一条新途径。
[0003] 棉花賴杆除含丰富的初皮纤维和大量的木质纤维素外，还具有介于木本植物和草 本植物之间的特殊植物形态和结构，此外还富含粗蛋白、氮和憐，因此棉花賴杆具有很好的 开发利用价值。但是较多的木质素和半纤维素包裹、包埋于纤维素骨架中，对纤维素产生空 间位阻，阻碍催化剂对纤维素的可及性；同时由于纤维素的结晶区难于水解，其高结晶程度 会降低催化剂水解纤维素的效率，对棉花賴杆等木质纤维素的开发和利用有一定的限制。 为了提高賴杆的利用率和附加值，寻找一种理想的賴杆预处理方法非常必要。目前预处理 技术存在处理效果与成本的不对应，难于同时达到低成本和高效的预处理方法，故提高预 处理的效率和降低预处理成本已成为研究的关键所在。
[0004] 离子液体是新兴起的一种极具应用前景的绿色溶剂，是一种完全由有机阳离子和 有机或无机阴离子组成的低溫烙融盐。近年来，离子液体W其热稳定性好、不易燃、不挥发、 电导率高、溶解范围广、可重复利用等特点引起了国内外学者的重视。离子液体对生物质賴 杆的预处理，主要是将干燥的賴杆与离子液体相互混合，在一定溫度下揽拌至其完全溶解， 向溶解后的纤维素和离子液体的混合溶液中加入水或乙醇等反溶剂使纤维素再生出来，充 分洗涂W保证离子液体被完全去除。然后利用再生纤维素与纤维素酶作用产生的还原糖发 酵制备燃料乙醇。离子液体处理生物质原料可W缩短纤维素水解的时间，提高还原糖的产 率，相对于酸处理、碱处理等方法处理的产糖效果更好。
[0005] 目前常用的预处理方法包括物理法、化学法和生物法。物理法包括机械磨碎、蒸汽 爆破法和电离福射法等，机械法可W降低物料的尺寸，降低结晶度;蒸汽爆破法可W促使纤 维素中木质素溶于醇溶液中。化学法主要是利用酸、碱、氨等处理纤维素原料。生物法是利 用细菌或真菌来降解木质素。运几种方法虽然可W达到对纤维素进行预处理的目的，但都 具有一定的弊端。物理法能耗大、成本高而且效率低，化学法使用酸、碱和有机试剂会对环 境产生一定的影响，目前生物法可采用的微生物种类较少，而且作用周期较长。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有预处理棉花賴杆方法中存在的缺陷或不足，提供一种新型的利用 离子液体[Bmim]Cl预处理棉花賴杆的方法，旨在破坏棉花賴杆致密的结构，利于后续酶解 糖化。
[0007]为了实现本发明目的，本发明提供的利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花賴杆的方 法，将棉花賴杆粉碎后与离子液体[Bmim]Cl按照质量比为1:10-20混合，在常压下于70~ 140°C反应1~化，然后冷却至室溫，揽拌状态下加入水(优选去离子水）、乙醇或丙酬，抽滤， 洗涂滤渣，干燥至恒重，得到再生賴杆。
[000引本发明中还可W使用离子液体[Amim]Cl、[血im]Ac等来替代[Bmim]Cl预处理棉花 賴杆。与其它种类的离子液体相比，[Bmim]Cl的合成工艺相对简单，成本相对较低，且处理 效果较好，优选用于本发明中。
[0009]具体地，所述方法包括W下步骤：
[0010] 1)棉花賴杆经干燥后，粉碎，过40-80目筛(优选过40目筛），得到棉花賴杆粉；
[0011] 2)将棉花賴杆粉与离子液体[Bmim]Cl按照质量比为1:10混合，在常压下于120°C 反应4h，然后冷却至室溫，揽拌状态下加入水、乙醇或丙酬，抽滤，洗涂滤渣，干燥至恒重，得 到再生賴杆。
[0012]前述的方法，步骤2)用油浴加热。
[0013] 前述的方法，步骤2)用水(优选蒸馈水）、乙醇或丙酬将滤渣洗至滤液呈无色，然后 将滤渣于60°C烘干至恒重。
[0014] 前述的方法，步骤2)使用布氏漏斗进行抽滤。
[0015] 上述方法还适用于玉米賴杆、小麦賴杆和甘薦渣等生物质材料的预处理。
[0016] 本发明还提供所述预处理方法在提高棉花賴杆酶解效率中的应用。
[0017] 本发明还提供利用所述预处理方法制备的再生賴杆。
[0018] 本发明进一步提供所述再生賴杆在酶解糖化制备乙醇发酵原料中的应用。具体如 下：
[0019] 取适量再生賴杆，按照固液比1~15mg/mL加入巧樣酸盐缓冲液，再按照20~ 60FPU/g再生賴杆的比例加入纤维素酶，于40~80 °C、摇床转速120~25化/min条件下保溫 反应12~4她，得到W还原糖为主要成分的糖液，作为乙醇发酵原料。
[0020] 优选地，取适量再生賴杆，按照固液比lOmg/mL加入抑4.80.1mol/L巧樣酸盐缓冲 液，再按照40FPU/g再生賴杆的比例加入纤维素酶，于50°C、摇床转速15化/min条件下保溫 反应2地，然后置于沸水浴中灭酶lOmin，离屯、分离得到W还原糖（葡萄糖）为主要成分的糖 液，用DNS法测定还原糖含量。本发明中使用的纤维素酶为美国MP公司生产的商品化纤维素 酶，酶活力为160FPU/g。
[0021] 本发明利用离子液体[Bmim]Cl对棉花賴杆进行预处理，通过预处理条件的优化 (即，在单因素试验的基础上，W离子液体[Bmim]Cl预处理溫度、时间、液固比为因素，W失 重率、还原糖得率为试验指标，设计Ξ因素 Ξ水平正交试验，W优化预处理参数），不仅能有 效增强棉花賴杆的酶解效率，提高了可发酵还原糖的收率(预处理后的再生賴杆中纤维素 含量可达29.1 ±0.2% )，而且克服了传统离子液体预处理工艺环境不友好等缺点。本方法 操作简便，结果准确，重现性好，为棉花賴杆的预处理提供了一种新方法，也为纤维素资源 的绿色应用提供了一个新平台。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例中预处理时间对失重率和还原糖得率影响。
[0023] 图2为本发明实施例中预处理溫度对失重率和还原糖得率影响。
[0024] 图3为本发明实施例中液固比对失重率和还原糖得率影响。
【具体实施方式】
[0025] W下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例 中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
[0026] W下实施例中使用的纤维素酶来源于美国MP公司，来源于黑曲霉，酶活力为 160FPU/g〇
[0027] 实施例利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花賴杆的方法
[00%]为了提高棉花賴杆中的还原糖得率，在前期研究的基础上，利用离子液体[Bmim] Cl对棉花賴杆进行预处理，获得了提高还原糖得率的预处理条件。
[0029] 具体操作如下：
[0030] 1、原料处理:将来自中国农业科学院棉花研究所试验农场的棉花賴杆去除杂草、 灰尘等杂质，风干、粉碎，过40目筛。
[0031] 2、离子液体[Bmim]Cl预处理时间对预处理效果的影响
[0032] 分别称取8份粉碎后的棉花賴杆粉0.2000g，按液固比10:l(w/w)加入[Bmim]Cl后 混匀，在100°C油浴分别加热1、2、3、4、5、6、7、化。将溶解液置于磁力揽拌器上，缓慢加入去 离子水重新析出纤维素，然后将混合物倒入布氏漏斗抽滤，用蒸馈水将滤渣洗至滤液呈无 色，表明离子液体已完全除尽，将滤渣于60°C下烘干至恒重，得到再生賴杆，称重，计算失重 率。取一定量经过预处理的棉花賴杆，加入O.lmol/L的巧樣酸盐缓冲液(pH=4.8)，调整底 物浓度为1% (即lOmg/mL)，置于50°C、转速15化/min水浴摇床中保溫反应。每个样品按照 4〇FPU/g再生賴杆的比例加入纤维素酶，反应24h后置于沸水浴中灭酶lOmin，离屯、分离得酶 水解糖液，用DNS法测定还原糖含量。结果见图1。