[发明专利]离子液体在纤维素水解制备还原糖中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及秸秆的溶解和纤维素的水解，具体地说是以对秸秆有良好溶解能力的离子液体为溶剂，加入含Fe³⁺的水溶液，在酸性离子液体催化下水解纤维素，获取还原糖的方法。 

背景技术

由于化石燃料的大量、无节制的使用，造成了能源危机及环境恶化等问题，使人类面对能源与环境的双重压力，因此，人类急需寻找一种绿色环保的可再生能源。我国的农作物秸秆产量约为7亿吨/年，居世界首位。秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，是一种宝贵的可再生资源。目前，我国秸秆主要用途是造纸、饲料、还田及作为燃料使用，完全处于高消耗、高污染、低产出的状况。秸秆利用率约33％，其中大部分未加处理，经过技术处理后利用的仅约占2.6％。因此，综合利用农作物秸秆对于节约资源、保护环境、增加农民收入、促进农业的可持续发展都具有重要的现实意义。 

纤维素是以D-吡喃式葡萄糖基通过β-1，4糖苷键连接起来的、具有线性结构的高分子化合物，其结构复杂，内部存在大量的晶区、非晶区结构和氢键，使溶剂对纤维素的可及度低。一般溶剂难以溶解纤维素，造成了纤维素资源化利用的障碍。开发有效的纤维素溶剂体系是解决这一难题的关键。对于纤维素水解，传统的方法是使用纤维素酶水解或无机酸水解。酶水解可以在室温下进行，水解副产物少，但这种方法的水解效率低、速度慢，而且纤维素酶价格昂贵且无法回收使用造成成本较高。使用无机酸水解通常使用硫酸水解，硫酸对设备腐蚀严重，对设备要求较高，降解产物多，同时后处理麻烦，对环境污染严重。 

离子液体是绿色的溶剂和催化剂，其应用已经作为研究的热点。2005年中科院化学所张军等发现1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐是纤维素的优良溶剂，最多可以溶解25wt％的纤维素，形成均相溶液。最近，研究人员指出1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐对木质素也具有良好的溶解能力，(Fu，D.；Mazza，G.；Tamaki，Y.，Lignin Extraction from Straw by Ionic Liquids and Enzymatic Hydrolysis of the Cellulosic Residues.J.Agric.Food Chem 2010，58(5)，2915-2922.)；中科院大学化物所姜锋等用[bmim]Cl离子液体作为溶剂，以酸性离子液体作为催化剂实现了纤维素的绿色均相水解。但是，[bmim]Cl粘度太大，在工业生产时操作不方便，虽然加入了共溶剂降低粘度但也增加了成本。因此，本发明的目的在于使用粘度很低、对纤维素和木质素同时具有良好溶解能力的离子液体作为秸秆溶剂，加入含Fe³⁺的水溶液，酸性离子液体为催化剂，使纤维素绿色均相水解，达到较高的水解效率。 

发明内容

本发明的目的是提供一种离子液体在纤维素水解中的应用的方法。 

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为： 

以1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐为秸秆溶剂，加入含Fe³⁺的水溶液，酸性离子液体为催化剂，在常压下于110℃～140℃反应0.5～5h，用冷水淬灭反应、碱液中和即得纤维素水解液，使用3，5-二硝基水杨酸法测还原糖含量，水解液中的还原糖与离子液体可以通过离子交换法予以分离，离子液体可以重复使用。 

所述含Fe³⁺的水溶液的物质量为相应葡萄糖摩尔当量的2～4倍；含Fe³⁺的水溶液的浓度为C(_Fe³⁺)＝0.025～0.1mol/L；催化剂的质量为秸秆质量的 100～400％秸秆与溶剂的质量比为0.04～0.25。 

其中，秸秆溶剂为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐，催化剂为1-甲基-3-(4-磺酸基丁基)咪唑硫酸氢盐、1-甲基-3-(3-磺酸基丙基)咪唑硫酸氢盐、1-甲基-3-(4-磺酸基丁基)咪唑氯盐、1-甲基-3-(3-磺酸基丙基)咪唑氯盐。 

所述的方法，其中，油浴加热反应。 

所述的方法，其中，离子液体回收使用。 

本发明具有如下优点： 

1.秸秆溶剂的粘度很低，无需加入共溶剂，操作方便，便于工业生产； 

2.Fe3+对纤维素的酸水解有助催化作用，可以提高还原糖的产率； 

3.离子液体性能稳定，可以回收使用，后处理成本低，环境友好； 

4.离子液体催化剂的催化性能良好，反应速度快，反应条件温和，水解产率高。 

具体实施方式