一種在極性非質(zhì)子體系中超低酸催化水解纖維素、半纖維素原料制備還原糖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物化工技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種在極性非質(zhì)子體系中超低酸催化水 解纖維素、半纖維素原料制備還原糖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 纖維素(cellulose)是由葡萄糖組成的大分子多糖。不溶于水及一般有機溶劑。是 植物細胞壁的主要成分。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，占植物界碳含 量的50%W上。半纖維素化emicellulose)是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，運 些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。半纖維素木聚糖在木質(zhì)組織中占 總量的50%，它結(jié)合在纖維素微纖維的表面，并且相互連接，運些纖維構(gòu)成了堅硬的細胞相 互連接的網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 傳統(tǒng)的生物化工依賴糧食性原料，但糧食價格始終處于上漲態(tài)勢導致生產(chǎn)成本居 高不下，尋找替代資源是當務(wù)之急。W纖維素、半纖維素為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)是地 球上最豐富的可再生資源，具有廉價、再生周期短和無污染等優(yōu)點。因此，將纖維素、半纖維 素轉(zhuǎn)化為能源、工業(yè)原料、精細化學品，是生物質(zhì)資源化利用的研究熱點。然而，纖維素、半 纖維素結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部存在大量晶區(qū)、非晶區(qū)結(jié)構(gòu)和氨鍵，導致天然狀態(tài)下的木質(zhì)纖維素水 解率很低，必須通過預處理技術(shù)使木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)松散，將更多的纖維素和半纖維素暴露 在表面，促進后期的水解糖化。木質(zhì)纖維原料預處理方法包括物理法、化學法、物理一化學 法和生物法等，但是運些預處理方法普遍存在著環(huán)境污染、經(jīng)濟性不足與放大困難等方面 的缺點。
[0004] 預處理后的木質(zhì)纖維素經(jīng)進一步水解糖化后形成W葡萄糖和木糖為主的單糖水 解液，目前多采用酸水解和酶水解兩種途徑。
[0005] 稀酸水解過程中，絕大部分半纖維素和少量的纖維素被降解成可溶性糖類，形成 W木糖為主的水解液，運也是目前纖維素木糖生產(chǎn)工藝中普遍采用的水解方法。Aguilar R 等利用2%稀硫酸在122°C下處理24min，可使薦渣中92%木聚糖水解為木糖;2%稀硫酸122 °C處理71min，高梁桿的木糖產(chǎn)量為18.17g/100g(原料）。提高酸的濃度或處理溫度可加速 纖維素的水解，提高葡萄糖產(chǎn)量。如黃麻桿用70%的硫酸，在40~50°C處理10~20min，總糖 產(chǎn)率接近100% ;周蘭蘭等人用濃酸水解木屑，單糖收率達到90% W上。為了減輕濃酸對設(shè) 備的危害及對產(chǎn)物質(zhì)量的影響，也有研究者提出兩步稀酸水解法:先采用低溫將半纖維素 水解再在高溫下水解纖維素。如王晨霞等采用72%濃硫酸，常壓下30°C處理化，再用4%的 稀硫酸，在0. 壓力下水解比，玉米忍還原糖和五碳糖的質(zhì)量轉(zhuǎn)化率分別為81 %和46 % ; 王歡等先采用60 %硫酸，酸固比12:1，45°C水解30min，再在水固比220:1條件下，100°C水解 120min，玉米賴桿總糖收率可達到93.81 %。然而，不論是采用何種工藝，都存在酸回收困 難、副產(chǎn)物多W及必須選用耐腐蝕設(shè)備等缺點。
[0006] 酶法水解是指木質(zhì)纖維素經(jīng)預處理后再在酶的作用下生成相應(yīng)種類單糖的過程。 經(jīng)過各種預處理后的木質(zhì)纖維素原料通過添加纖維素酶等生物催化劑進行水解可獲得還 原糖，但是目前水解用酶的制備成本高，導致成本上沒有競爭力。
[0007] 為了解決W上弊端，Jeremy S丄uterbacher,Jacqueline M.Rand等多位學者將 γ-戊內(nèi)醋應(yīng)用于纖維素的水解反應(yīng)中，得到了較高的收率，然而該方法溶劑用量大，設(shè)備 復雜，所得還原糖中不易于微生物利用的多糖W及寡聚糖含量達50% W上，如果用于發(fā)酵 還需要進一步通過傳統(tǒng)工藝酸水解。
[0008] 因此，亟待發(fā)展一種易操作，易分離，成本低，環(huán)境友好的纖維素、半纖維素水解制 備單糖的方法，提高木質(zhì)纖維素生物質(zhì)利用的經(jīng)濟性，降低環(huán)境負擔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡單、經(jīng)濟、高效、環(huán)保的方法由纖維素、 半纖維素原料生產(chǎn)還原糖。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0011] -種在極性非質(zhì)子溶劑中超低酸催化水解纖維素、半纖維素原料制備還原糖的方 法，它包括如下步驟：
[0012] (1)將水、極性非質(zhì)子溶劑和濃硫酸按質(zhì)量比1:4~9:0.0025~0.005混合均勻得 到混合溶劑；
[0013] (2)將纖維素、半纖維素原料加入步驟（1)得到的混合溶劑中浸潤，從110°C~130 °C線性升溫至150~220°C，共加熱反應(yīng)30~60分鐘，反應(yīng)結(jié)束后趁熱抽濾得濾液和濾渣；
[0014] (3)將濾渣加入步驟（1)得到的混合溶劑中浸潤，從1 l〇°C~130°C線性升溫至150 ~220°C，共加熱反應(yīng)30~60分鐘，反應(yīng)結(jié)束后趁熱抽濾得濾液和濾渣；
[0015] (4)將步驟(3)抽濾后得到的濾渣重復步驟(3)-次；
[0016] (5)收集合并步驟(2)、（3)、（4)所得的濾液，濾液通過二氧化碳超臨界萃取分離水 相和有機相，或者濾液調(diào)節(jié)pH值至5~6后加入無機鹽攬拌至完全溶解后靜置過夜，分離水 相和有機相，所得水相即為含有還原糖的溶液。
[0017] 步驟（1)中，所述的極性非質(zhì)子溶劑為丫-下內(nèi)醋，丫-戊內(nèi)醋、四氨巧喃或二甲基 甲酯胺極性非質(zhì)子溶劑，優(yōu)選丫-下內(nèi)醋。
[0018] 步驟(1)中，所述的濃硫酸為95wt%的濃硫酸。
[0019] 步驟(1)中，優(yōu)選將水、極性非質(zhì)子溶劑和濃硫酸按質(zhì)量比1:4:0.0025混合均勻得 到混合溶劑。
[0020] 步驟(2)中，所述的纖維素、半纖維素原料為玉米賴桿、玉米忍、小麥賴桿、甘薦渣 和稻草等廉價木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料中的任意一種或幾種的混合物，或者已經(jīng)過預處理 脫除了其中半纖維素的W上原料。
[0021] 步驟(2)中，纖維素、半纖維素原料與混合溶劑的固液質(zhì)量比為1:15~30,優(yōu)選1: 20 〇
[0022] 步驟(3)中，混合溶劑的使用質(zhì)量與步驟(2)中混合溶劑的使用質(zhì)量相同。
[0023] 步驟(5)中，二氧化碳超臨界萃取，具體條件為:壓力72.9~92.9atm，溫度31.26~ 51.26°C，萃取時間為20~60分鐘，優(yōu)選條件為:壓力73atm，溫度40°C，萃取時間為60分鐘。
[0024] 步驟(5)中，濾液使用碳酸巧或氨氧化巧調(diào)節(jié)pH值至5~6。
[0025] 步驟(5)中，無機鹽的加入質(zhì)量為待加入的反應(yīng)體系中水的總質(zhì)量的0.5~12 %， 優(yōu)選1%。由于整個反應(yīng)在密閉容器中進行，因此，待加入的反應(yīng)體系中水的總質(zhì)量ΚΞ次 添加的混合溶劑中水的質(zhì)量計算。
[0026] 步驟(5)中，所述的無機鹽為氯化鋼、硫酸鋼、氯化鐘和硫酸鐘中的任意一種或幾 種，優(yōu)選氯化鋼。
[0027] 步驟(5)中，分離得到的有機相回收重復利用，重新用于降解廉價生物質(zhì)制備混合 糖或降解纖維素制備葡萄糖。
[00%]步驟(5)中，分離得到的水相中，總還原糖含量可達到180g/LW上，水解制糖收率 可達到91 % W上。獲得的糖液可作為工業(yè)微生物的發(fā)酵碳源。
[0029] 有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點：
[0030] 1.極性非質(zhì)子溶劑可W回收循環(huán)使用，節(jié)約成本、環(huán)境友好。
[0031] 2.本法所得還原糖液中生物毒性物質(zhì)含量低(其中乙酷丙酸、慷醒、徑甲基慷醒的 含量均不高于Ig/L)，易于被微生物利用。
[0032] 3.酸催化劑用量極低，環(huán)境污染小，無需回收，節(jié)約成本?？朔恕颈尘凹夹g(shù)】中設(shè)備 復雜或分離困難、高溫高壓、設(shè)備腐蝕等問題，屬于環(huán)境友好工藝路線。
[0033] 4.當極性非質(zhì)子溶劑選擇丫-下內(nèi)醋，水、極性非質(zhì)子溶劑和濃硫酸質(zhì)量比選擇1: 4:0.0025，無機鹽選擇氯化鋼時，通過本發(fā)明方法最終獲得水解糖液，還原性單糖濃度可達 180g/LW上，收率達91 % W上，可減少后期濃縮能耗。
【具體實施方式】
[0034] 根據(jù)下述實施例，可W更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實 施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當也不會限制權(quán)利要求書中所詳細描述的本 發(fā)明。
[0035] 實施例1:
[0036] 將lOg玉米賴桿加入200g混合溶劑中，混合溶劑組分是：水：丫 -下內(nèi)醋：98wt %濃 硫酸(質(zhì)量比）= 1:4:0.0025。攬拌后置于均相反應(yīng)器中，從120°C線性升溫至220°C，共加熱 反應(yīng)60分鐘，反應(yīng)結(jié)束后趁熱抽濾。濾渣取出繼續(xù)加入200g混合溶劑，浸潤，從120°C線性升 溫至220°C，共加熱反應(yīng)60分鐘，反應(yīng)結(jié)束后趁熱抽濾。濾渣取出繼續(xù)加入200g混合溶劑浸 潤，從120°C線性升溫至220°C，共加熱反應(yīng)60分鐘，反應(yīng)結(jié)束，纖維素、半纖維素完全溶解。 收集所得濾液，濾液用碳酸巧調(diào)節(jié)pH值至5.5后加入水相質(zhì)量1 %的氯化鋼分離水相和有機 相。有機相回收再利用，水相通過HPLC分析各組分后，其中，纖維素、半纖維素轉(zhuǎn)化率100%， 還原性單糖得率92%，總還原糖濃度181g/L，葡萄糖濃度86g/L，木糖濃度60g/L，乙酷丙酸 0.45g/L、慷醒0.35g/L、徑甲基慷醒0.6g/L。
[0037] 實施例2:
[003引將lOg小麥賴桿加入200g混合溶劑中，混合溶劑組分是：水：丫 -下內(nèi)醋：98wt%濃 硫酸(質(zhì)量比）= 1:4:0.0025。攬拌后置于均相反應(yīng)器中，從120°C線性升溫至220°C，共加熱 反應(yīng)60分鐘，反應(yīng)結(jié)束后趁熱抽濾。濾渣取出，加入200g混合溶劑浸潤，從120°C線性升溫至 220°C，共加熱反應(yīng)60分鐘，反應(yīng)結(jié)束后趁熱抽濾。濾渣取出繼續(xù)加入200g混合溶劑浸潤，從 120°C線性升溫至220°C，共加熱反應(yīng)60分鐘，反應(yīng)結(jié)束，纖維素、半纖維素完