[发明专利]一种利用可再生离子液体水溶液预处理木质纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明属于木质纤维素利用及化学工业应用领域，具体涉及一种利用[胆碱][氨基酸]离子液体水溶液预处理增强木质纤维素酶解的方法。

背景技术

随着近年来石油资源的日益匮乏、燃油价格的不断上涨及能源危机的爆发，生物质等可再生资源的开发和利用逐渐受到重视。与化石资源相比，生物质资源有诸多优势：其年产量巨大，且以生物质为原料生产燃料和化工原料还可有效降低CO₂的排放和环境污染。木质纤维素作为地球上分布最广和含量最丰富的可再生生物质资源而备受人们的关注。木质纤维素主要由木质素、纤维素及半纤维素组成。纤维素及半纤维素经酶解所得的还原糖如葡萄糖、木糖等可用于发酵生产生物燃料（如燃料乙醇及用于制备生物柴油的油脂等）和各种平台化合物。然而，由于木质纤维素结构复杂，纤维素不仅被半纤维素和木质素包裹，且其分子内及分子间存在大量氢键，致使其高度结晶化，故难以直接利用化学法或生物法将其高效转化为可用的能源或平台化合物，这严重阻碍了木质纤维素的开发利用。因此，通常需要对木质纤维素进行预处理，除去部分木质素、破坏其三维结构，从而增加反应位点、提高多糖水解率。

离子液体由于具有超强的溶解能力及可设计性，近年来已被成功用于木质纤维素原料的预处理（Biotechnol Bioeng,2011,108,1229）。但目前用于木质纤维素预处理的离子液体主要是传统的咪唑类和嘧啶类离子液体（CN102154412）。这类离子液体的毒性较强、生物可降解性差，环境不友好（Chem Soc Rev,2011,40,1383）；此外，这类离子液体源于化石资源，具有不可再生性。并且这类离子液体预处理工艺通常对水分的耐水性差，微量水分的存在即会极大地降低这类离子液体对纤维素的溶解度及其预处理效率（J Am Chem Soc,2002,124,4974;Green Chem,2010,12,1967）,故通常需要对离子液体及待预处理的木质纤维素原料进行干燥，导致能耗高。本课题组以可再生的胆碱及氨基酸为原料，通过简单的酸碱中和反应制得一类以胆碱为阳离子、氨基酸为阴离子的新型离子液体（[胆碱][氨基酸]离子液体），具有低毒、绿色环保、可再生、可生物降解等特点，符合绿色化学发展策略（Green Chem,2012,14,304）。业已证明，这些离子液体是一类高效的木质纤维素预处理溶剂（Biotechnol Bioeng,2012,109,2484;专利201210004741.8）。

然而，离子液体的粘度远高于常规的分子型溶剂，故导致在预处理过程中，搅拌、过滤、离心等操作异常困难。此外，半纤维素是一种酸、碱、热敏感的聚合物，预处理过程中易损失，降低还原糖收率。同时，利用纯离子液体作为预处理溶剂，需要对离子液体及待预处理的木质纤维素原料进行干燥，导致能耗过高，从而显著降低预处理工艺的经济可行性，故迫切需要开发高度耐受水分的离子液体预处理工艺。目前，离子液体价格仍较高，大量使用这类溶剂预处理木质纤维素还存在成本相对较高的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用[胆碱][氨基酸]离子液体水溶液预处理增强木质纤维素酶解，提高可发酵的还原糖（葡萄糖及木糖）收率的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用可再生离子液体水溶液预处理木质纤维素的方法，具体步骤如下：

（1）以[胆碱][氨基酸]离子液体的水溶液为预处理溶剂，在氮气保护下，按照木质纤维素与预处理溶剂质量比为1:5~1:25混合木质纤维素和预处理溶剂，于50~120°C下搅拌0.5~24小时，随后冷却至室温，过滤、洗涤滤渣，干燥后获得预处理后的木质纤维素；

（2）称取预处理后的木质纤维素，按照固液比为1~6mg/mL加入柠檬酸盐缓冲液，再按照5~30U/mg预处理后木质纤维素的比例加入纤维素酶，在150~250r/min，40~60°C下反应3~12h后，获得以葡萄糖和木糖为主要成分的糖液。

优选地，步骤（1）中所述的[胆碱][氨基酸]离子液体是以胆碱为阳离子、天然氨基酸为阴离子的离子液体，其结构如下：

优选地，所述的天然氨基酸为L-甘氨酸、L-丙氨酸、L-丝氨酸、L-苏氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-蛋氨酸、L-苯丙氨酸、L-脯氨酸、L-色氨酸、L-天冬氨酸、L-天冬酰胺、L-谷氨酸、L-谷氨酰胺、L-赖氨酸、L-精氨酸和L-组氨酸中的一种。