专利名称：一种离子液体作用水解生物质生产可发酵糖的新方法
技术领域：
本发明属于可再生生物质资源开发利用领域，特别涉及一种利用离子液体作用水解生物质资源生产生物可发酵糖的高效方法。
背景技术：
生物质是地球上最丰富的可再生资源，每年产量大约为I. 5-2. OX IO12吨。其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素等，其中纤维素和半纤维素的含量约占70% -80%。纤维素和半纤维素在一定的条件下可以水解生成葡萄糖、木糖等可溶性的糖稀，这些糖类化合物可通过化学或生物转化的方法生产包括燃料乙醇和氢，以及各种碳基化合物，如甘油、乳酸、氨基酸、多元醇、二元酸等高值生物基产品。这样，不仅可以替代现行的以粮食和糖类物质为原料制备燃料乙醇的工艺，降低能源的生产成本，解决能源的短缺问题；同时对于有效减少环境污染，保护生态和环境也大有益处。然而，据保守的估计，在生物质转化过程中，糖稀的生成至少占总成本的 30% (Wyman CE. What is (and is not) vital to advancingcellulosic ethanol. Trends in Biotechnology 2007;25:153-157)。目前生物质资源转化为糖稀或糖液的糖平台主要三种方法主流的方法直接浓酸水解法、直接稀酸水解法和热化学预处理加酶水解法(Sun Y, Cheng J. Hydrolysis oflignocellulosic materialsfor ethanol production a review. Bioresource Technology 2002;83:1-11)。直接浓酸水解法首先是用70-77%左右的硫酸把含水量在10%的生物质晶体结构破坏。这一步的酸与底物的比例在I. 25 1，温度控制在50°C左右。然后加水把酸稀释到20-30%并加热到100°C使生物质降解释放出可溶性的糖。浓酸工艺很早已经被产业化推广，特别是在前苏联和日本等国。但是这些工艺的成功使用只是局限于的特定的时期和环境。例如在能源危机时，在不考虑生物燃料生产等经济竞争力的情况下。目前在美国有两家公司Arkenol和Masada Resource Group与美国能源部和可再生能源国家实验室(NREL)合作改进和商业推广这项技术，利用它来处理来自于工农业生产和生活的各种生物质废物，在生产出包括生物燃料和其他高附加值产品的同时，来解决环境污染的问题。直接稀酸水解法通过两步水解来协调生物质资源中半纤维素和纤维素的特性差异，减少工艺过程中对释放出糖的破坏，提高糖产量和效率。第一步是在较温和的条件下进行，以最大限度地从易降解的半纤维素中释放出糖(Lee Y, Iyer P, Torget R. Dilute-AcidHydrolysis of Lignocellulosic Biomass. In Tsao G，Brainard A，Bungay H，et al.，eds. Recent Progress in Bioconversion of Lignocellulosics Springer Berlin/Heidelberg, 1999 :93-115.)。第二步用相对激烈的反应条件水解难降解的纤维素部分。
3NREL报道指出软木的稀酸水解工艺是先用O. 7%的稀硫酸在190°C作用3min ;然后用
0.4%的稀酸在2151作用另外31^11。这样有较高的糖产量。稀酸过程有相当较多的产业经验。德国、日本和俄罗斯在过去的50年建立许多利用稀酸浸透工艺的工厂。但是这些稀酸浸透工艺还是难以在竞争激烈的市场中得以生存。现在利用这个技术工艺的企业仍然是处理如涉及环境问题的废物处理以及在一些造纸工业中应用。目前广受关注的是建立在生物质预处理基础上的酶水解工艺。生物质资源通过不同热化学过程的预处理(Mosier N, Wyman C, Dale B, et al. Features ofpromising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass. BioresourceTechnology 2005 ；96 :673-686)后用纤维素酶为核心的复合酶制剂进行酶水解使由聚合物组成的生物质资源降解成单糖和少量可溶性的寡糖组成的糖液或糖稀。这些糖液或糖稀可以被用于发酵生产纤维素酒精或其它高附加值的生物基化合物。生物质资源的热化学预处理有多种不同的方法，包括热水预处理，酸预处理，碱预处理，氨膨爆，石灰堆埋处理等，其主要作用是去除或降解生物质资源中包被在纤维素外围的木质素和半纤维素，破坏坚韧执拗的纤维素晶体结构，使酶制剂可以有效地作用于晶体结构被破坏纤维素，加速酶降解释放出可溶性的糖(ZhuJY, PanX, Zalesny RS Jr. Pretreatment of woody biomassfor biofuel production energy efficiency, technologies, and recalcitrance. ApplMcirobial Biotechnol. 2010，87 (3) :847-57.)。生物质资源的热化学预处理加酶水解虽然是目前最有前途的一个工艺，但它相对是一个复杂的过程。不同的热化学预处理会显著地影响随后的酶解过程，不同的生物质资源在不同的热化学过程中也有不同的影响，从而影响酶解。还有酶制剂的成本和效率更是影响整个工艺的发展。目前其工艺成本还未能达到人们的预期目标，特别是与燃料酒精的生产相联时，更是需要进一步改进工艺，包括热化学预处理的过程的探索和组合使用，提高酶制剂的效率，降低成本等(Lin Y, Tanaka S. Ethanol fermentation from biomassresources current state and prospects. Applied Microbiology and Biotechnology2006 ；69 :627-642)。目前，另外一项有潜力用于利用生物质获得糖的技术是超临界流体(Supercritical fluid, SCF)水解技术(何北海，林鹿，孙润仓，孙勇·木质纤维素化学水解产生可发酵糖研究·化学进展2007 ；19 :1141-1146 ；Yu Q，Wu P，Xu P，Li L，Liu T，Zhao L. Synthesis of cellulose/titanium dioxide hybrids in supercritical carbondioxide. Green Chemistry 2008;10:1061-1067)。在超临界流体中，分子的扩散系数介于气、液之间，具有独特的溶解性，使反应变为均相，进而加速超临界条件下的化学反应，其显著特点是反应不需要任何催化剂，反应时间较短(低于10s)，反应选择性高，而且对环境没有污染。但是利用超临界水解工艺进行生物质转化，其主要成分为低聚糖，需要有其他配套技术把低聚糖转化为可用于微生物发酵生产的单糖。因此该技术仍然有一定的局限性，需要进一步完善，提高单糖的产率。综上所述，把生物质资源高效水解，提高糖的产量和产率仍然是其转化利用的巨大的挑战性任务。在发展完善现有各种技术平台的基础上，开发新一代的生物质资源水解技术，建立新型、低成本的糖平台仍然是极其重要的(DOE BiomassMulti-year ProgramPlan. 2008)。
发明内容
本发明的目的本发明的目的在于提供一种利用离子液体作用水解生物质资源生产微生物可利用糖的高效新方法。经离子液体作用水解后生成的可发酵糖产率可达到70-90%之间，利用传统的直接浓酸水解法、直接稀酸水解法和热化学预处理加酶水解法，耗能比较高。相比之下利用安全环保的绿色溶剂离子液体作用水解生物质时，成本低，效率高。生成的可发酵糖经离子交换柱分离后可被酿酒酵母利用。所使用的离子液体经分离后可重复利用。本发明的思路离子液体是一种安全环保的绿色溶剂，它具有同时破坏纤维素的晶格结构和溶解纤维素的功效。溶解后的纤维素经过水解可生成可发酵糖。水解液中的离子液体经分离后，可重复利用；糖类物质作为重要的平台化合物可用于生产生物燃料，化学制品，多聚物以及材料等。本发明的技术路线本发明的技术路线如下(I)将选用的生物质原料粉碎至4-200目；(2)将粉碎好的生物质原料和一定量的离子液体催化剂放入反应器中；(3)将反应器在90_120°C下加热l_6h，使生物质原料中纤维素溶解；(4)加入少量的酸和一定量的水在80_130°C下继续水解，总糖回收率可达到70%以上；(5)将反应器至于冷水浴中，使其内部温度迅速降至50°C以下，以免生成的糖发生降解；(6)利用离子交换柱将水解液中离子液体和糖类物质分离后，离子液体可重复使用；(7)将分离后的水解液调节pH至5. 0，接种酿酒酵母后在30°C，200rpm下培养，水解液中的葡萄糖可完全水解生成乙醇。本发明的优点本发明的优点是(I)选用离子液体为溶剂，安全环保，对仪器设备不会造成腐蚀，反应后的离子液体经分离后可重复利用，符合绿色化学的原则；(2)总糖产率高,可达70%以上；(3)经离子液体溶解及加水水解后可使纤维素和半纤维素直接水解生成糖稀，而无须使用生物酶菌；(4)经离子液体溶解后的生物质，再加酸和水进行水解反应时，所需酸的用量与使用酸性催化剂相比，用量降低了 50倍。具体实施实施例I取O. Ig粉碎至40目的生物质原料和2g[EMM] Cl于105°C加热反应3h后，依次加Λ 7wt % HCl (HCl占生物质质量的百分比)和5，20，25，33和43%的水于105°C下继续水解3h后，迅速将反应器放入冷水浴中，使反应器内的温度迅速降低到50°C以下，此条件下总糖回收率可达90%。实施例2取O. Ig粉碎至10目的生物质原料和2g[EMM]Cl于90°C加热反应3h后，依次加Λ 7wt% HCKHCl占生物质质量的百分比)和5，20，25，33和43%的水于105°C下继续水解3h后，迅速将反应器放入冷水浴中，使反应器内的温度迅速降低到50°C以下，此条件下总糖回收率可达40%。实施例3取O. Ig粉碎至40目的生物质原料和2g[EMM] Cl于105°C加热反应3h后，依次加A7wt% HCKHCl占生物质质量的百分比)和5%的水于105°C下继续水解3h后，迅速将反应器放入冷水浴中，使反应器内的温度迅速降低到50°C以下，此条件下总糖回收率可达20%。实施例4取上述水解液5mL，调节pH至5. O左右，将活化好的酿酒酵母(安琪干酵母1_3%)接种于水解液中，于30°C，200rpm下培养。36h后，水解液中的葡萄糖可完全转化生成乙醇。
权利要求
1.一种利用离子液体作用水解生物质资源生产微生物可发酵糖的高效新方法，步骤如下(1)将生物质原料加入一定量的离子液体中，可使生物质中的纤维素的结晶结构受到破坏，并溶解于离子液体中；(2)向反应器加入一定量的HCl和一定含量的水继续水解，可使总糖的回收率达到70%以上；(3)水解生成的葡萄糖可完全被酿酒酵母利用，生成乙醇。
2.按权利要求I按权利要求I中所述的方法，其特征是所述的生物质原料包括软木、硬木、农业废弃物、秸杆以及藻类生物质等。
3.按权利要求I按权利要求I中所述的方法，其特征是所述的生物质原料在使用前应粉碎至4-200目。
4.按权利要求I中所述的方法，其特征是所述的离子液体包括烷基咪唑类离子液体，烷基吡啶类离子液体和烷基季铵类离子液体等。
5.按权利要求3中所述的方法，其特征是所述的酸含量在0-10%;所述的水含量在5-50%。
6.按权利要求I中所述的方法，其特征是所述的反应器是批式反应器。
7.按权利要求I中所述的方法，其特征是所需去结晶化温度在90-120°C之间，反应时间在l_6h。
8.按权利要求I中所述的方法，其特征是所需水解温度在80-130°C之间，反应时间在l_6h0
9.按权利要求I中所述的方法，其特征是在反映结束后，反应器需在冷水中冷却至500C以下，以免生成的糖发生降解。
10.按权利要求I中所述的方法，其特征是水解生成的葡萄糖在30°C条件下，可完全被酿酒酵母利用转化生成乙醇。
全文摘要
本发明涉及一种利用离子液体作用水解生物质生产可发酵糖的新方法。具体涉及以生物质为原料，以离子液体为绿色溶剂，在90-120℃的温度范围内去结晶化1-6h后，然后在80-130℃的温度范围内水解1-6h，可以使总糖的回收率达到70％以上。
文档编号C13K1/02GK102925595SQ20111023470
公开日2013年2月13日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者王钦宏, 周娜 申请人:天津工业生物技术研究所