專利名稱：一種分離甘蔗渣纖維素和木質(zhì)素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分離甘蔗渣成為纖維素和木質(zhì)素的方法，得到的蔗渣纖維素的酶降解能力與未分離的蔗渣相比大大提高。
背景技術(shù)：
越來越多的國家特別是發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把農(nóng)林廢棄物等可再生資源的轉(zhuǎn)化利用列入社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，農(nóng)林廢棄生物質(zhì)的有效利用，已經(jīng)成為當(dāng)今人類可持續(xù)發(fā)展的重點之一。在我國，甘蔗渣是一種重要的農(nóng)業(yè)廢棄資源，我國海南、廣東、廣西、福建、云南等多個省份種植甘蔗，每個糖廠都庫存大量甘蔗渣，按每產(chǎn)1噸糖就產(chǎn)生2噸甘蔗渣計算，我國在2005年就產(chǎn)生17686萬噸蔗渣。相對于其它農(nóng)林廢棄資源而言，蔗渣具有資源集中、易于收集的優(yōu)勢。但是，限于技術(shù)的原因，目前蔗渣的利用還僅限于作糖廠鍋爐燃料，或極少部分做飼料填充劑?？傮w而言，蔗渣的利用率不高、且附加值低。從當(dāng)前生物質(zhì)綜合利用的發(fā)展趨勢看，生物質(zhì)主要成分的高效分離和對各組分的分別利用將是有效提高其附加值的關(guān)鍵。蔗渣主要由纖維素(40-45%)、半纖維素(28-30%) 和木質(zhì)素(19-21%)組成。纖維素是甘蔗渣的主要成分，可通過纖維素酶水解形成單糖，替代以石油為基礎(chǔ)的化工原料，從而實現(xiàn)纖維素可再生資源轉(zhuǎn)化獲得新材料、高熱值能源、化工原料及藥物等高附加值產(chǎn)品。蔗渣以纖維素的結(jié)晶微纖絲為骨架，木質(zhì)素和半纖維素形成牢固結(jié)合層，包圍著纖維素，阻礙酶與纖維素的接觸，造成蔗渣酶水解的困難，因此，保持蔗渣的酶水解有效地進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)破壞木質(zhì)素和半纖維素的結(jié)合層，將纖維素與木質(zhì)素、半纖維素分離。目前，以提高農(nóng)林廢棄纖維資源利用為目的的研究多采用預(yù)處理的方法破壞木質(zhì)素與纖維素的結(jié)合，這些方法包括熱水蒸煮、蒸汽爆破、酸堿處理和微生物預(yù)降解等，能耗高、環(huán)境污染和效率低是這些方法的弊端。這些預(yù)處理方法未考慮將纖維素與其它組分分離，而木質(zhì)素本身是纖維素酶的抑制劑，各種預(yù)處理即使能夠破壞木質(zhì)素與纖維素的結(jié)合， 但不能有效排除木質(zhì)素抑制劑的影響，可見，蔗渣纖維的高效、高附加值的利用從根本上有賴于新技術(shù)的發(fā)展，特別是有效的分離技術(shù)。專利文獻(xiàn)“一種分級分離甘蔗渣成為高纖維素紙漿、木聚糖和木素的方法”公開了一種通過分級熱處理獲得蔗渣纖維素的方法，該方法熱能消耗大，且高溫對設(shè)備要求嚴(yán)格。最近，有研究發(fā)現(xiàn)，離子液對木質(zhì)素有較好的溶解能力。離子液是一種性能優(yōu)越新型溶劑，具有零揮發(fā)、綠色、安全無毒的特點。本發(fā)明提出以離子液為介質(zhì)，從蔗渣中分離木質(zhì)素、純化蔗渣纖維素的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種高效分離和水解蔗渣纖維素的綠色新方法。以甘蔗渣為原料，經(jīng)過粉碎、干燥、脫蠟，水煮脫半纖維素，再用綠色溶劑離子液脫木質(zhì)素，得到較高純度、且失去結(jié)晶結(jié)構(gòu)的蔗渣纖維素。分離得到的蔗渣纖維素的酶水解效率與未處理的蔗渣相比大大提高，從而解決了蔗渣纖維的酶水解困難的問題。
本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)?！N分離甘蔗渣纖維素和木質(zhì)素的方法，包括如下步驟
(1)蔗渣經(jīng)過破碎，干燥，脫蠟，脫除半纖維素后，過濾，干燥濾渣，得到脫半纖維素的蔗渣；
(2)離子液在60 80°C, 20^24 mbar下真空干燥24 48 h ；
(3)在離子液中加入脫半纖維素的蔗渣，混合均勻，施加超聲3、min后，加入堿溶液， 離心，收集上清液，洗滌殘留物并干燥后，得到蔗渣纖維素；
(4)調(diào)節(jié)上清液的pH值為2 3，在4 6°C放置12 24h，得到的懸浮液，離心，得到的沉淀物干燥后，得到木質(zhì)素；
所述離子液為1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽或1-丁基-3-甲基咪唑氯化物，優(yōu)選1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽。離子液為無水離子液。用量優(yōu)選按每1 g脫半纖維素蔗渣加1(Γ20 g離子液。步驟(3)所述加入堿溶液是稀釋作用。在離子液中加入脫半纖維素的蔗渣，施加超聲，使得木質(zhì)素在離子液中溶解。洗滌未溶解的殘留物并干燥后，得到蔗渣纖維素
步驟(1)中，所述蔗渣是甘蔗榨汁后的剩余固體殘渣，或者去蔗髓后的甘蔗渣，優(yōu)選取去蔗髓后的蔗渣。所述破碎為機械粉碎至蔗渣依次過2. 0 mm和0. 5 mm的篩。步驟(1)所述干燥為鼓風(fēng)干燥或曬干，干燥至水分含量5%以下。步驟(1)所述脫蠟是將干燥后的蔗渣粉，置于索氏提取器中，用體積比為2:1的甲苯-乙醇作溶劑，50 60° C下抽提4 6 h，然后取出甘蔗渣，50 60° C下鼓風(fēng)干燥12 16 h。步驟(2)所述脫除半纖維素是在步驟(1)得到的蔗渣中加入去離子水，在 60^80° C水浴中放置2、h，過濾，取濾渣，6(T70° C干燥，得到脫半纖維素的蔗渣。脫半纖維素也可采用蒸汽爆破的方法。所述施加超聲是將超聲探頭插入液面下，浸入深度為液面深度的1/2 3/4。所述超聲的功率為15 30W，所述超聲的工作方式為間歇工作，工作1 min，停1 min。步驟(4)所述離心的轉(zhuǎn)速為11600'g，離心時間為20 30 min。步驟(5)所述離心的轉(zhuǎn)速為8030'g，離心時間為5 min。步驟(5)所述的離心得到的上清液首先用鹽酸調(diào)節(jié)pH至7.0，然后在70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā);Γ5 h，真空度2 4 mbar，再加入有機萃取溶劑，振蕩萃取30 min，靜置10 min, 分離下層含離子液的萃取溶劑層，在真空度纊4 mbar, 70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)纊3 h，除去萃取劑，即得回收的離子液。所述有機萃取溶劑為乙酸乙酯或乙醇-丙酮。當(dāng)離子液為1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽時，有機萃取溶劑優(yōu)選乙酸乙酯，當(dāng)離子液為1-丁基-3-甲基咪唑氯化物時，有機萃取溶劑優(yōu)選乙醇丙酮(1:3，ν/ν)。通過所述方法得到的蔗渣纖維素產(chǎn)率為39-44% (w/w，g/g)，其中木質(zhì)素重量含量纊12%，表明蔗渣中大部分木質(zhì)素脫除，經(jīng)測試，所分離的蔗渣纖維素完全失去結(jié)晶結(jié)構(gòu)，纖維素酶解率達(dá)到96、9%，說明本發(fā)明是一種高效分離和水解蔗渣纖維素的綠色新方法，離子液-超聲聯(lián)合處理，可以有效脫去蔗渣中的木質(zhì)素，破壞蔗渣中纖維素的結(jié)晶構(gòu)造，從而大大提高蔗渣中纖維素的酶降解效率。本發(fā)明根據(jù)文獻(xiàn)有關(guān)離子液溶解木質(zhì)素的報道，聯(lián)合超聲強化技術(shù)，促進(jìn)了蔗渣中的木質(zhì)素短時間內(nèi)從蔗渣中分離，同時，利用離子液與纖維素中氫鍵的相互作用，破壞蔗渣纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高纖維素酶的可及性，大大提高蔗渣纖維素的酶降解效率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點
1.本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，現(xiàn)有技術(shù)采用高溫或酸堿預(yù)處理的方法提高蔗渣纖維素的酶解效率，本發(fā)明提出將木質(zhì)素、半纖維素與纖維素分開的方法，從而排除了木質(zhì)素對纖維素酶活性的抑制作用；
2.本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，現(xiàn)有技術(shù)以離子液1-丁基-3-甲基咪唑氯化物處理蔗渣提高纖維素酶解效率，本發(fā)明優(yōu)選另一種能溶解木質(zhì)素的離子液1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽將蔗渣中木質(zhì)素與纖維素分離；
3.本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，現(xiàn)有技術(shù)可使蔗渣的酶解效率提高2倍左右，采用本發(fā)明的方法可使蔗渣纖維素的酶解率達(dá)到96、9%，比未處理蔗渣提高6倍以上；
4.本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)不同，現(xiàn)有技術(shù)采用酸堿處理從蔗渣中分離纖維素，具有工藝復(fù)雜、污染環(huán)境等不足，本發(fā)明方法采用環(huán)境友好的綠色溶劑離子液為主要介質(zhì)，離子液回收循環(huán)再利用，做到零排放、無污染；
5.本發(fā)明的方法與現(xiàn)有專利不同，現(xiàn)有技術(shù)采用蒸汽爆破和多級高溫處理的方法分離蔗渣中的纖維素，具有能耗高的不足，本發(fā)明采用通過超聲強化手段可大大縮短處理時間， 節(jié)省能源。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明并不限于此。實施例1
蔗渣經(jīng)過太陽暴曬后，置于貝利微粉機進(jìn)行機械粉碎30 min，得到蔗渣細(xì)粉依次過2. 0 mm和0.5 mm的篩，密封在樣品袋中，室溫干燥處保存；取干燥的甘蔗渣粉100 g，置于索氏提取器中脫蠟，用甲苯-乙醇(2:1，ν/ν)作溶劑，50° C下抽提4 h，然后取出甘蔗渣， 50° C下鼓風(fēng)干燥16 h ；脫蠟蔗渣中加入800 mL水，60° C水浴下放置4 h，過濾，分離取濾渣，得到脫半纖維素的蔗渣；稱取離子液1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽，用量按每1 g脫半纖維素蔗渣加10 g離子液在60° C，20 mbar下真空干燥48 h，然后放入玻璃小瓶，加入脫半纖維素蔗渣，渦旋振蕩2 min使蔗渣與離子液混合均勻，然后將超聲探頭插入離子液液面下，浸入深度為液面深度的1/2，調(diào)節(jié)超聲功率30 W(超聲儀器輸出功率為(Γ150 W，頻率20 kHz，超聲作用方式為工作1 min—間歇1 min)，超聲作用時間3 min，超聲結(jié)束后向燒瓶中加入0.1 M的NaOH 100 mL，然后在11600'g下離心20 min，上清液收集用以分離木質(zhì)素， 未溶解殘留物用500 mL去離子水洗滌，再用布氏漏斗過濾，得到的濾渣在50° C下真空干燥20 h，得到蔗渣纖維素；上清液轉(zhuǎn)移到離心管，用硫酸調(diào)節(jié)pH值為3，將離心管置于冰箱 (6° C)中放置12 h，使木質(zhì)素充分沉降析出，懸浮液在8030'g下離心5 min，收集上清液， 用以回收離子液，濾渣在50° C下真空干燥10 h，得到酸不溶木質(zhì)素；過濾上清液中含有離子液、NaOH和水，為了回收離子液，首先用鹽酸調(diào)節(jié)pH至7. 0，然后在70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)3 h，真空度2 mbar，再加入有機萃取溶劑甲苯-乙醇(1:1，v/v)，振蕩萃取30 min，靜
5置10 min，分離下層含離子液的萃取溶劑層，在真空度2 mbar,70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)2 h， 除去萃取劑，即得回收的離子液。經(jīng)測試，蔗渣纖維素的產(chǎn)率為39% (w/w, g/g)，其中木質(zhì)素重量含量9%，蔗渣纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)完全消失。實施例2
脫蔗髓的甘蔗渣1 kg在70° C下鼓風(fēng)干燥12 h，水分含量0.3%，置于貝利微粉機進(jìn)行機械粉碎20 min，得到蔗渣細(xì)粉依次過2.0 mm和0. 5 mm的篩，密封在樣品袋中，室溫干燥處保存；取干燥的甘蔗渣粉100 g，置于索氏提取器中脫蠟，用甲苯-乙醇(2:1，ν/ ν)作溶劑，55° C下抽提5 h，然后取出甘蔗渣，60° C下鼓風(fēng)干燥12 h ；脫蠟蔗渣中加入 800 mL水，65° C水浴下放置2 h，過濾，分離取濾渣，得到脫半纖維素的蔗渣；稱取離子液 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽，用量按每1 g脫半纖維素蔗渣加20 g離子液在70° C，M mbar下真空干燥30 h，然后放入玻璃小瓶，加入脫半纖維素蔗渣，渦旋振蕩3 min使蔗渣與離子液混合均勻，然后將超聲探頭插入離子液液面下，浸入深度為液面深度的3/4，調(diào)節(jié)超聲功率15W，(超聲儀器輸出功率為(Γ150 W，頻率20 kHz，超聲作用方式為工作1 min—間歇1 min)，超聲作用時間5 min，超聲結(jié)束后向燒瓶中加入0. 1 M的NaOH 100 mL，然后在 11600'g下離心25 min，上清液收集用以分離木質(zhì)素，未溶解殘留物用500 mL去離子水洗滌，再用布氏漏斗過濾，得到的濾渣在60° C下真空干燥20 h，得到蔗渣纖維素；上清液轉(zhuǎn)移到離心管，用硫酸調(diào)節(jié)PH值為2，將離心管置于冰箱(4° C)中隔夜放置，使木質(zhì)素充分沉降析出，懸浮液在8030'g下離心5 min，收集上清液，用以回收離子液，濾渣在55° C下真空干燥10 h，得到木質(zhì)素；過濾上清液中含有離子液、NaOH和水，為了回收離子液，首先用鹽酸調(diào)節(jié)PH至7.0，然后在70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)4 h，真空度4 mbar，再加入有機萃取溶劑甲苯-乙醇(1:1，v/v)，振蕩萃取30 min，靜置10 min，分離下層含離子液的萃取溶劑層，在真空度4 mbar,70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)纊3 h，除去萃取劑，即得回收的離子液。經(jīng)測試，蔗渣纖維素的產(chǎn)率為44%(w/w，g/g)，其中木質(zhì)素重量含量10%，蔗渣纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)完全消失。實施例3
甘蔗渣干燥12 h，水分含量0.3%，取1 kg甘蔗渣在60° C下干燥8 h，置于貝利微粉機進(jìn)行機械粉碎20 min，得到蔗渣細(xì)粉依次過2.0 mm和0.5 mm的篩，密封在樣品袋中，室溫干燥處保存；取干燥的甘蔗渣粉100 g，置于索氏提取器中脫蠟，用甲苯-乙醇(2:1，ν/ ν)作溶劑，60° C下抽提6 h，然后取出甘蔗渣，60° C下鼓風(fēng)干燥12 h;脫蠟蔗渣中加入 800 mL水，80° C水浴下放置2 h，過濾，分離取濾渣，得到脫半纖維素的蔗渣；稱取離子液 1-丁基-3-甲基咪唑氯化物，用量按每1 g脫半纖維素蔗渣加10 g離子液在80° C，24 mbar下真空干燥M h，然后放入玻璃小瓶，加入脫半纖維素蔗渣，渦旋振蕩2 min使蔗渣與離子液混合均勻，然后將超聲探頭插入離子液液面下，浸入深度為液面深度的3/4，調(diào)節(jié)超聲功率30W，(超聲儀器輸出功率為(Γ150 W，頻率20 kHz，超聲作用方式為工作1 min—間歇1 min)，超聲作用時間4 min，超聲結(jié)束后向燒瓶中加入0. 1 M的NaOH 100 mL，然后在 11600'g下離心30 min，上清液收集用以分離木質(zhì)素，未溶解殘留物用500 mL去離子水洗滌，再用布氏漏斗過濾，得到的濾渣在60° C下真空干燥20 h，得到蔗渣纖維素；過濾上清液轉(zhuǎn)移到離心管，用硫酸調(diào)節(jié)PH值為2，將離心管置于冰箱(4° C)中隔夜放置Mh，使木質(zhì)素充分沉降析出，懸浮液在8030' g下離心5 min,收集上清液，用以回收離子液，濾渣在60° C下真空干燥10 h，得到木質(zhì)素；過濾上清液中含有離子液、NaOH和水，為了回收離子液，首先用鹽酸調(diào)節(jié)PH至7.0，然后在70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)5 h，真空度4 mbar，再加入有機萃取溶劑甲苯-乙醇(1:1，v/v)，振蕩萃取30 min，靜置10 min，分離下層含離子液的萃取溶劑層，在真空度4 mbar,70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)3 h，除去萃取劑，即得回收的離子液。經(jīng)測試，蔗渣纖維素的產(chǎn)率為41%(w/w，g/g)，其中木質(zhì)素重量含量11%，蔗渣纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)完全消失。
本蔗渣纖維素的酶降解試驗
將實施例1 3所制得的蔗渣纖維素用纖維素酶進(jìn)行酶降解，取10 mg蔗渣纖維素，放入25 mL的三角瓶中，加入50 mM檸檬酸緩沖液(pH4. 8)3. 5 mL，纖維素酶用相同濃度的檸檬酸緩沖液溶解，按35 U/mL的用量加入纖維素酶，在50° C水浴中，100 rpm搖床上振蕩反應(yīng)11 h，反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液煮沸滅酶，在8030 g下離心5 min，用NaOH調(diào)節(jié)pH至7.0， 用高效液相色譜測水解產(chǎn)物葡萄糖的濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在蔗渣纖維素含量相同的情況下，未經(jīng)離子液處理的蔗渣的酶解率為13 16%，而經(jīng)過離子液處理分離得到的蔗渣纖維素酶解率為96 99%，表明采用本發(fā)明的一種高效分離和水解蔗渣纖維素的綠色新方法，可以有效脫去蔗渣中的木質(zhì)素，破壞蔗渣中纖維素的結(jié)晶構(gòu)造，從而大大提高蔗渣中纖維素的酶降解效率。
權(quán)利要求
1.一種分離甘蔗渣纖維素和木質(zhì)素的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)蔗渣經(jīng)過破碎，干燥，脫蠟，脫除半纖維素后，過濾，干燥濾渣，得到脫半纖維素的蔗渣；(2)離子液在60 80°C, 20^24 mbar下真空干燥24 48 h ；(3)在離子液中加入脫半纖維素的蔗渣，混合均勻，施加超聲3、min后，加入堿溶液， 離心，收集上清液，洗滌殘留物并干燥后，得到蔗渣纖維素；(4)調(diào)節(jié)上清液的pH值為2 3，在4 6°C放置12 24h，得到的懸浮液，離心，得到的沉淀物干燥后，得到木質(zhì)素；所述離子液為1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽或1- 丁基-3-甲基咪唑氯化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述干燥為鼓風(fēng)干燥或曬干，干燥至水分含量5%以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述脫蠟是將干燥后的蔗渣粉， 置于索氏提取器中，用體積比為2:1的甲苯-乙醇作溶劑，5(T60° C下抽提4飛h，然后取出蔗渣，50 60° C下鼓風(fēng)干燥12 16 h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述脫除半纖維素是在步驟(1) 得到的蔗渣中加入去離子水，在6(T80° C水浴中放置2、h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加超聲是將超聲探頭插入液面下， 浸入深度為液面深度的1/2 3/4。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述超聲的功率為1(T30W，所述超聲的工作方式為間歇工作，工作ι min，停1 min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)所述離心的轉(zhuǎn)速為11600'g，離心時間為20 30 min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(5)所述離心的轉(zhuǎn)速為8030'g，離心時間為5 min。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(5)所述的離心得到的上清液首先用鹽酸調(diào)節(jié)PH至7.0，然后在70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā);Γ5 h，真空度2、mbar，再加入有機萃取溶劑，振蕩萃取30 min，靜置10 min，分離下層含離子液的萃取溶劑層，在真空度2、 mbar, 70° C下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)纊3 h，除去萃取劑，即得回收的離子液。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述有機萃取溶劑為乙酸乙酯或乙醇-丙酮。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分離甘蔗渣纖維素和木質(zhì)素的方法，包括；甘蔗渣充分干燥，機械粉碎，用索式抽提脫蔗蠟，再通過熱水浴脫除半纖維素，將脫半纖維素的蔗渣與離子液混合，超聲作用3~5min，使蔗渣中的木質(zhì)素在離子液中溶解，加堿稀釋后，通過過濾分離出脫木質(zhì)素的蔗渣纖維素；溶解的木質(zhì)素調(diào)節(jié)pH值2~3沉淀析出，通過離心分離木質(zhì)素；通過中和、有機溶劑萃取和真空濃縮的方法回收離子液。得到的蔗渣纖維素的酶降解能力與未分離的蔗渣相比大大提高。
文檔編號C08H7/00GK102212976SQ20111009534
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月16日
發(fā)明者李琳, 王兆梅, 鄭翠, 魏東 申請人:華南理工大學(xué)