一种提高纤维素酶解产糖率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用纤维素为原料制备，通过利用CO2开关型离子化合物中或CO 2 开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂预处理纤维素，通过酶解制备葡萄糖的方 法，属于生物质利用与生物化工产品领域。
【背景技术】
[0002] 随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的日益短缺，天然纤维素作为自然界中最 为丰富的可再生资源受到人们越来越多的关注。由于纤维素是自然界中分布最广、含量最 多的一种多糖，是组成植物细胞壁的主要成分。棉花、亚麻、芋麻和黄麻部含有大量优质的 纤维素。木头中纤维素含量约为50%，棉花的纤维素含量更高，达90%。木材中的纤维素则 常与半纤维素和木质素共同存在。纤维素是一种复杂的多糖，有8000至10000个葡萄糖残 基通过β-1，4-糖苷键连接而成。通过对纤维素进行化学催化水解与酶解可以制备重要的 化工原料葡萄糖。以葡萄糖为原料可以通过化学催化方法与生物转化方法可以制备一系列 的能源化工产品，如生物乙醇、微生物油脂、丁醇、5-羟甲基糠醛等。而传统上，葡萄糖主要 来自淀粉。随着以葡萄糖为原料制备能源、化工产品技术发展，对葡萄糖的供给提出了新的 要求。而传统的以淀粉为原料制备葡萄糖，因为淀粉为食品资源，其来源受到资源与政策的 限制，因此，如何通过利用纤维素原料，高效制备葡萄糖受到了普遍的关注。
[0003] 而天然纤维素为高度结晶聚合物，由于其分子间与分子内部强的氢键作用，使其 不溶于传统的有机溶剂，对化学、生物催化剂的响应较低。为了获得高的纤维素水解效 率，必须要对纤维素进行预处理，以改变其晶体结构与物理形态，提高相应化学催化剂、 酶的可及度及催化效率。最近基于离子液体溶解纤维素、木质纤维素材料，实现纤维素 (Biotechnology and Bioengineering, 2011，108, 511-520)、木质纤维素的溶解预处理 (Green Chemistry, 2012, 14, 1202-1210)，从而提高其酶解效率，由于其高效性，获得了广 泛的关注。中国专利201110008782.X保护了一种利用离子液体预处理提高纤维素酶解产 糖的方法。转过专利201210144959. 3保护了一种提高木质纤维素酶水解率的预处理方法， 也是利用离子液体为溶剂。通过离子液体溶解纤维素、木质纤维素实现其预处理，可以显著 提高其酶解效率，其所用的离子液体液体都是传统咪唑盐离子液体。而传统咪唑盐离子液 体价格昂贵，回收、纯化、循环利用成本高，大大了限制了该过程的经济性能。
[0004] 为了实现纤维素的溶解预处理，其溶解新体系的开发是技术突破的关键。中国专 利201210374955. 4保护了一种纤维素溶液溶解纤维素和再生纤维素的方法，其主要特征 是利用廉价的，容易制备的CO2开关性离子化合物或CO 2开关性离子化合物与有机溶剂组成 的混合溶剂体系溶解加工纤维素。作为一种新的纤维素溶解体系，为纤维素的均相化学改 性及溶解预处理提供了一个良好的平台。而基于此溶解加工平台的纤维素溶解预处理，再 通过酶解技术制备葡萄糖还没有相关文献及专利报道。本发明专利是基于此平台，开发的 纤维素溶解预处理，提高其酶解效率，高效制备纤维素基葡萄糖。基于葡萄糖的重要应用价 值，该溶解预处理技术具有廉价，易制备，易循环使用等特点，具有很好的工业应用前景。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种利用CO2开关型离子化合物中或 CO2开关型离子化合物与有机溶剂组成的混合溶剂为纤维素溶剂，实现纤维素的溶解预处 理，从而提高其后续酶水解效率。该方法解决了目前生产纤维素溶解预处理的方法存在的 溶剂成本高，提纯回收利用成本高等问题，
[0006] 本发明利用纤维素为原料，利用CO2开关型离子化合物中或CO2开关型离子化合物 与有机溶剂组成的混合溶剂为纤维素溶剂，实现纤维素的溶解预处理，从而提高其后续酶 水解效率，它是按照如下步骤进行的：
[0007] 1.以纤维素为原料；
[0008] 2.将可与CO2反应形成开关型离子化合物（Switchable ionic compounds)中的 一种或两种以上化合物原料与纤维素混合形成预溶解体系；
[0009] 或将可与CO2反应形成开关型离子化合物中的一种或两种以上化合物原料与纤维 素以及对纤维素具有良好溶胀作用的有机溶剂混合形成预溶解体系；
[0010] 或将CO2开关型离子化合物（Switchable ionic compounds)中的一种或两种以上 与纤维素混合形成预溶解体系；
[0011] 或将CO2开关型离子化合物中的一种或两种以上与纤维素以及对纤维素具有良好 溶胀作用的有机溶剂混合形成预溶解体系；
[0012] 3.往体系通入CO2，将该混合体系加热、搅拌溶解，释放CO2压力后，获得纤维素溶 液；
[0013] 4.在纤维素溶液中加入反溶剂，使溶解的纤维素再生，过滤、分离获得预处理过的 纤维素材料；
[0014] 5.取一定量的再生纤维素，加入缓冲溶液与纤维素酶进行酶解，获得葡萄糖溶液。
[0015] 进一步地，本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖率的方法，它还可以具有如下 特点：所用的纤维素原料为：微晶纤维素、α-纤维素、棉花和木浆、竹子浆、农林废弃物秸 杆、农作物种子皮壳中所制植物纤维素的一种或是上述至少两种纤维素的混合物。具体说 包括：稻草、麦秸、芦苇秸杆、棉花秸杆、花生秸杆、花生壳，玉米秸杆、玉米页、玉米穗皮、甘 蔗渣为原料提取纤维素的一种或者至少两种的混合物。而各种富纤维素浆或纤维素的获取 方式不受限制。特别是，当纤维素、木质素、半纤维素共存时，如直接利用玉米秸杆为纤维素 原料，也适用于本专利。
[0016] 本发明提供的一种提高纤维素酶解产糖率的方法，其中，第（2)步骤的具体过程 是：
[0017] (a):将等化学计量的可以形成CO2开关型离子化合物的有机碱与醇或胺、纤维素、 有机溶剂加入溶解釜中，盖上反应釜，通入CO 2，形成CO2开关型离子化合物-纤维素或形成 CO2开关型离子化合物与有机溶剂-纤维素的混合溶液，所形成的CO2开关型离子化合物具 有如下结构特征：
[0018] 其中阳离子结构为以下结构中的一种或两种以上：
[0019]
[0020] A系列，R1，为碳原子数为1-6的烷基、碳原子数为3-10的乙氧基聚乙二醇基或甲 氧基聚乙二醇基，R 2, R3, R4为独立的甲基；
[0021] B系列,n=l或n=2 ;m=l-6 ;R为独立的氢、甲基或乙基！R1为独立的氢、碳原子数为 1-6的烷基、碳原子数为3-10的乙氧基聚乙二醇基、甲氧基聚乙二醇基、碳原子数为1-6的 羟基化烷基或碳原子数为4-8的聚乙二醇基；R 2, R3, R4, R5为独立的氢或甲基或乙基；
[0022] 其中阴离子结构为一下结构中的一种或两种以上：
[0024] 其中：
[0025] A系列，R为碳原子数为1-2的烷基、碳原子数为3-4的乙氧基聚乙二醇基或甲氧 基聚乙二醇基，R1为碳原子数为1-3的烷基或碳原子数为3-6的聚乙氧基醚基；
[0026] B系列，R1, R2, R3, R4, R5, R6，为独立的氢或为碳原子数为1-2的烷基 R7, R8, R9, R1(l，R11,为独立的氢；
[0027] C系列，R为苯环上任意位置取代的H，甲基或甲氧基。
[0028] 优选的，其中阳离子结构特征如下：
[0030] 其中：
[0031] n=l或11=2;?为独立的氢或碳原子数为1-6的烷基。
[0032] 其阴离子结构具有如下优选结构特征中的一种：
[0034] 其中：R为碳原子数为1-3的烷成