一种新型双氢键低共熔溶剂及结合碳酸钠预处理水稻秸秆的方法与流程

本发明公开了一种新型双氢键低共熔溶剂，及利用其与碳酸钠结合预处理水稻秸秆及水解液发酵丁醇的方法，属于化学工程领域。

背景技术：

当今世界对石油、天然气和煤炭等不可再生能源的需求日益增加。70年代的石油危机引起了世界各国对未来能源短缺问题的普遍关注。传统的煤、石油和天然气等均是不可再生能源，剩余储量的开发难度越来越大。另外，我国是农业大国，木质纤维素原料相当丰富。农作物秸秆含有丰富的纤维素及半纤维素，是一种宝贵的可再生资源。然而，有相当多的农作物秸秆被弃置或者焚烧，不仅造成资源的浪费，还易引起环境污染。在这种情况下，生物质能作为一种价格低廉、来源广泛的可再生能源，受到了人们的广泛关注。目前，生物质的利用处于快速发展阶段，比如利用生物质制备液体燃料或气体燃料；同时也可将生物质催化降解获得高附加值化学品。

在生物质利用过程中，木质纤维素原料的预处理是其高效利用的关键。通过预处理过程可改变生物质的组分：如降低木质素和半纤维素含量、降低纤维素结晶度等，这些参数直接影响到纤维素酶解可及性和效率。因此，为了实现生物质的有效利用，开发绿色、高效的生物质预处理方法迫在眉睫。目前，预处理方法主要有物理法、化学法、生物法以及组合法。其中化学法主要是利用酸、碱、有机溶剂等化学试剂的催化作用或溶解作用，破坏纤维素的晶体结构，使半纤维素降解或溶解，并使木质素膨胀以消除对纤维素的保护作用，增加木质纤维素生物质的孔隙率和比表面积，提高纤维素与酶的接触机率，获得较高的酶解效率。

近年来，离子液体是一种新型溶剂，具有良好的溶解性、可设计性及可回收性等优点，被广泛应用于生物质预处理中。但是，离子液体的“绿色方面”最近受到了极大的质疑，其可能的毒性以及非常低的生物降解性目前文献里都有所报道，且价格昂贵。为了克服这些缺点并保持离子液体的优良特性，abbott等人(abbotta.p.,etal.journaloftheamericanchemicalsociety,2004,126(29):9142-9147)首次报道了一种新型的离子液体–低共熔溶剂。与传统离子液体相比，低共熔溶剂由价格相对便宜的胆碱类氢键受体和有机酸、氨基酸等氢键供体组成，室温下为液体。应用低共熔溶剂预处理水稻秸秆不仅糖化效率高，而且还具有易于回收的特点，这就极大地降低了预处理成本和保护环境。2014年，xia等人(xias.q.,etal.rscadvances,2014,4(21):10586-10596)用胆碱类低共熔溶剂来处理柳枝稷，这是首次将低共熔溶剂应用于木质纤维素生物质预处理。我们前期应用氯化胆碱:甲酸低共熔溶剂用于玉米秸秆的预处理，总还原糖浓度可达19g/l，然而其浓度仍然较低，需要浓缩才能满足利用水解液丁醇发酵的需求(xug.c.,bioresour.technol.,2016,203,364-369)。在此基础上，我们开发了一种新型双氢键供体低共熔溶剂(氯化胆碱:甲酸:乙酸)，其兼具氯化胆碱：甲酸和氯化胆碱：乙酸的效果，预处理水稻秸秆获得了更高的糖产率和总还原糖浓度，与碳酸钠结合预处理水稻秸秆后水解液可以直接用来发酵生产丁醇，且对丁醇生产菌株没有抑制作用。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是公开一种新型的双氢键低共熔溶剂，及结合碳酸钠预处理水稻秸秆，并利用水解液发酵丁醇的方法，实现木质纤维素原料的高效糖化和生物转化。

本发明的双氢键低共熔溶剂由氯化胆碱、甲酸和乙酸组成，三者比例为1:1:1，或三者比例微调，能达到同种效果的比例，其中氯化胆碱为氢键受体，甲酸和乙酸为氢键供体。与氯化胆碱:甲酸(1:2)和氯化胆碱:乙酸(1:2)低共熔溶剂相比，该新型低共熔溶剂中含有两种氢键供体，组成更加复杂。

本发明的双氢键低共熔溶剂可应用于木质纤维素原料的预处理。将该低共熔溶剂与水稻秸秆按5:1～20:1的质量比混合，优选10:1，于110～140℃下预处理水稻秸秆0.5～3h，将混合物过滤，沉淀用去离子水洗涤三次，于烘箱中烘干至恒重。将预处理后的秸秆按1:10的比例加入到ph4.8、50mm的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，并按30～70fpu/g秸秆量添加纤维素酶(1500)用于秸秆的水解糖化，优选50fpu/g，在50℃和150rpm搅拌下水解24h，即得秸秆水解液。

本发明将该双氢键低共熔溶剂与碳酸钠组合应用于木质纤维素原料的预处理。将该双氢键低共熔溶剂预处理后的秸秆或碳酸钠预处理后的秸秆分别按1:5～1:20的质量比分别加入到碳酸钠和低共熔溶剂中，优选10:1，于110～130℃下预处理水稻秸秆0.5～3h，将混合物过滤，沉淀用去离子水洗涤三次，于烘箱中烘干至恒重，进一步经纤维素酶酶解得到水解产物。充分发挥该低共熔溶剂在去除半纤维素和碳酸钠在去除木质素中的作用，实现木质纤维素原料的高效利用。

本发明将上述水解液应用于梭菌发酵合成生物丁醇。所述梭菌菌株为糖丁基梭菌dsm13864，培养基配方为水解液，玉米浆干粉10g·l^-1，caco34g·l^-1，(nh4)2so42g·l^-1，k2hpo40.5g·l^-1，mnso4·h2o0.01g·l^-1。按10％(体积比)接种量接种新鲜活化的糖丁基梭菌，于37℃下厌氧培养72h，以葡萄糖培养基作为对照。梭菌可利用该水稻秸秆水解液，其生长状态和丁醇产量与葡萄糖培养基相当。

本发明的有益成果在于，提供了一种新型的双氢键低共熔溶剂，其可用于木质纤维素原料的预处理，与碳酸钠组合后，半纤维素和木质素去除率高达83.1％和73.8％，酶解后总还原糖浓度高达42.8g/l，且对梭菌等微生物无明显抑制作用，可直接作为碳源用于微生物发酵。该新型低共熔溶剂合成简单、成本较低、安全绿色，是一种理想的木质纤维素预处理溶剂，非常具有应用开发前景。

附图说明

图1糖丁基梭菌利用水解液发酵丁醇的结果

图2糖丁基梭菌利用葡萄糖发酵丁醇的结果

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1双氢键低共熔溶剂的合成

准确称取100g不同摩尔配比的氯化胆碱：甲酸：乙酸(1:0.5:0.5～2:1.5:1.5)加入三口烧瓶混合，于60℃机械搅拌反应2h，此时形成均一、澄清透明的液体。将该液体转移入圆底烧瓶，减压蒸馏去除未完全反应的甲酸和乙酸，最终得到不同配比的氯化胆碱:甲酸:乙酸低共熔溶剂。称取10g水稻秸秆加入到溶剂中，140℃下搅拌处理2h，然后将混合物离心，用去离子水洗涤沉淀3次，烘干至恒重。称取1g处理后的秸秆，加入10mlph4.8、50mm的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，继续加入50fpu纤维素酶(1500)，50℃和150rpm的水浴摇床上酶解24h。通过高效液相色谱测定水解液中的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，如表1所示。

表1氯化胆碱、甲酸与乙酸摩尔比的优化结果。

实施例2双氢键低共熔溶剂预处理水稻秸秆

量取100g氯化胆碱:甲酸:乙酸低共熔溶剂至三口烧瓶，称取5～20g水稻秸秆(溶剂与水稻秸秆的质量比为5:1～20:1)加入到溶剂中，110～140℃下搅拌处理0.5～3h，然后将混合物离心，用去离子水洗涤沉淀3次，烘干至恒重。称取1g处理后的秸秆，加入10mlph4.8、50mm的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，继续加入30～70fpu纤维素酶(1500)，50℃和150rpm的水浴摇床上酶解24h。通过高效液相色谱测定水解液中的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，如表2所示。在预处理过程中，随着秸秆添加量的增多，预处理后总糖的含量逐渐增多。鉴于最高的离子液体和秸秆利用效率，确定10:1为最优的溶剂和秸秆比例。最适的预处理温度为130℃，预处理时间为2h。在纤维素酶解过程中，随着纤维素酶添加量的增多，总还原糖的产量逐渐增多。鉴于最优的纤维素酶和总还原糖产量，确定50fpu/g为最适的纤维素酶添加量。

表2双氢键低共熔溶剂预处理水稻秸秆

实施例3双氢键低共熔溶剂和碳酸钠组合预处理水稻秸秆

准确称取实施例2中经双氢键低共熔溶剂预处理后的水稻秸秆10g，加入0～10％的碳酸钠溶液，于60～140℃下处理0.5～3h，然后将混合物离心，用去离子水洗涤沉淀3次，烘干至恒重。称取1g处理后的秸秆，加入10mlph4.8、50mm的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，继续加入50fpu纤维素酶(1500)，50℃和150rpm的水浴摇床上酶解24h。通过高效液相色谱测定水解液中的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，如表3所示。0.5％的碳酸钠溶液于140℃预处理1h过后的总糖含量已经达到43.13g/l，鉴于预处理试剂的环保性，选定0.5％碳酸钠为组合预处理溶剂。

表3不同碳酸钠浓度和预处理条件对组合预处理的影响

实施例4水稻秸秆水解液丁醇发酵

向实施例3中的水稻秸秆水解液中加入玉米浆干粉10g·l^-1，caco34g·l^-1，(nh4)2so42g·l^-1，k2hpo40.5g·l^-1，mnso4·h2o0.01g·l^-1。调ph至6.5，115℃灭菌20min。接种活化的糖丁基梭菌dsm13864(10％，体积比)，在37℃下厌氧培养，结果如图1和图2所示。发酵72h，总溶剂(丁醇、丙酮、乙醇)产量为13.73g·l^-1，产率为时空产率为0.19g·l^-1·h^-1。葡萄糖为碳源时，总溶剂产量为14.52g·l^-1，产率为时空产率为0.20g·l^-1·h^-1。由此可知，该水解液对糖丁基梭菌的生长和丁醇合成无抑制作用。该新型双氢键低共熔溶剂是一种绿色、高效的木质纤维素原料预处理溶剂。