[发明专利]一种提高木质纤维素糖化效率的预处理方法

说明书

本发明公开了一种提高木质纤维素糖化效率的预处理方法。该方法是将乙二酸、氯化胆碱、丙三醇加入水中反应，得到改性低共熔溶剂，采用改性低共熔溶剂对木质纤维素原料进行预处理，该方法能够在更低的温度条件下实现对木质纤维素的预处理，更有利于提高木质纤维素的糖化效率，能大幅提升木质纤维素水解过程中释放碳水化合物总量。

技术领域

本发明涉及一种木质纤维素预处理方法，具体涉及一种利用乙二酸/丙三醇/氯化胆碱新型三元改性低共熔溶剂预处理木质纤维素，提高酶解糖化效率的方法，属于生物燃料制备技术领域。

背景技术

农林作物、能源作物等木质纤维素类生物质具有环保、可再生、生产量大、富含碳水化合物等特点，充分利用该新能源生产生物燃料能很大程度减少化石燃料的使用。木质纤维素的结构组成主要为纤维素、半纤维素和木质素，三者通过氢键、共价键、非共价键紧密交织在一起形成牢固的保护伞，增强了木质纤维素在酶解糖化的过程中的抗性，而将其转化成可发酵糖是生产生物燃料的瓶颈阶段。预处理技术可以大幅改变木质纤维素生物质物理化学结构特性，提高酶解糖化效率，进而提高生物质生产生物燃料的总产量。

木质纤维素预处理方法众多。物理法是通过粉碎、辐射、球磨等机械手段调节生物质的粗细与大小，降低了纤维素的结晶度与聚合度，但附着在结构表面的木质素仍然会阻碍纤维素酶的可及性导致产糖量不高。物理化学法包括湿氧化、CO₂爆破、蒸汽爆破等，使酶与纤维素表面的面积接触更广，而成本高、对设备要求苛刻，后续发酵会产生抑制物是其不足。生物法预处理利用放线菌、白腐菌、褐腐菌分解生物质中的木质素，该法有条件温和、环境友好的优点，但尚且没有可控制、时间周期短的处理系统。化学法利用离子液体、酸、碱、有机溶剂等化学试剂对纤维素、半纤维素和木质素三者之一进行溶解，分离出能基本全部糖化的纤维素部分。离子液体具有高热稳定性、化学稳定性，但价格昂贵，毒性大，工业应用困难。酸、碱法有较理想的预处理效果，尽管本身具有腐蚀性，在预处理过程中也不可避免产生抑制酶活性的副产物。传统的有机溶剂法虽然能够大幅提高木质素去除率和减少纤维素损失率，但成本高、难度大。近年来以低共熔溶剂(DES)为代表的有机溶剂法成为预处理木质纤维素的重要方法之一，该溶剂是由两种以上组分合成，其凝固点显著低于各自组分熔点的，若组成成分均为天然有机物，则称之为天然低共熔溶剂(NADES)，具有与离子液体类似的物化特性，能够大幅提高木质纤维素酶解糖化效率，且无毒、环保、易生物降解同时操作方法简便。

尽管预处理方法不胜枚举，但处理试剂低成本化、操作过程低能耗化、操作方法简易化、释放污染物无毒无害化仍然是提高木质纤维素酶解糖化效率进而规模化生产生物燃料的最迫切需求。十年前，Lee J W等人研究表明(Lee J W,Rodrigues R C L B,JeffriesT W.Simultaneous saccharification and ethanol fermentation of oxalic acidpretreated corncob assessed with response surface methodology[J].BioresourTechnol,2009,100(24):6307-6311.)乙二酸可以直接催化纤维素和半纤维素的水解，是已知的最强的有机酸之一，马来酸和乙二酸等有机酸能够克服产生抑制物和腐蚀设备的缺点，可以作为硫酸等传统酸的替代物；后Lee J W等人(Lee J W,Jeffries TW.Efficiencies of acid catalysts in the hydrolysis of lignocellulosic biomassover a range of combined severity factors[J].Bioresource Technology,2011,102(10):5884-5890.)继续研究证实乙二酸对酵母和其他微生物的毒性低于乙酸或亚硫酸，不会抑制糖酵解，也不会产生有害气味，可以有效降解半纤维素，留下较大的纤维素残留量；由此可见，廉价、无毒、环境友好的乙二酸是非常具潜力的预处理有机溶剂之一。