一种在极性非质子体系中超低酸催化水解纤维素、半纤维素原料制备还原糖的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物化工技术领域，具体设及一种在极性非质子体系中超低酸催化水 解纤维素、半纤维素原料制备还原糖的方法。
【背景技术】
[0002] 纤维素(cellulose)是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是 植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含 量的50%W上。半纤维素化emicellulose)是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，运 些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。半纤维素木聚糖在木质组织中占 总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，运些纤维构成了坚硬的细胞相 互连接的网络。
[0003] 传统的生物化工依赖粮食性原料，但粮食价格始终处于上涨态势导致生产成本居 高不下，寻找替代资源是当务之急。W纤维素、半纤维素为代表的木质纤维素类生物质是地 球上最丰富的可再生资源，具有廉价、再生周期短和无污染等优点。因此，将纤维素、半纤维 素转化为能源、工业原料、精细化学品，是生物质资源化利用的研究热点。然而，纤维素、半 纤维素结构复杂，内部存在大量晶区、非晶区结构和氨键，导致天然状态下的木质纤维素水 解率很低，必须通过预处理技术使木质纤维素结构松散，将更多的纤维素和半纤维素暴露 在表面，促进后期的水解糖化。木质纤维原料预处理方法包括物理法、化学法、物理一化学 法和生物法等，但是运些预处理方法普遍存在着环境污染、经济性不足与放大困难等方面 的缺点。
[0004] 预处理后的木质纤维素经进一步水解糖化后形成W葡萄糖和木糖为主的单糖水 解液，目前多采用酸水解和酶水解两种途径。
[0005] 稀酸水解过程中，绝大部分半纤维素和少量的纤维素被降解成可溶性糖类，形成 W木糖为主的水解液，运也是目前纤维素木糖生产工艺中普遍采用的水解方法。Aguilar R 等利用2%稀硫酸在122°C下处理24min，可使薦渣中92%木聚糖水解为木糖;2%稀硫酸122 °C处理71min，高梁杆的木糖产量为18.17g/100g(原料）。提高酸的浓度或处理溫度可加速 纤维素的水解，提高葡萄糖产量。如黄麻杆用70%的硫酸，在40~50°C处理10~20min，总糖 产率接近100% ;周兰兰等人用浓酸水解木屑，单糖收率达到90% W上。为了减轻浓酸对设 备的危害及对产物质量的影响，也有研究者提出两步稀酸水解法:先采用低溫将半纤维素 水解再在高溫下水解纤维素。如王晨霞等采用72%浓硫酸，常压下30°C处理化，再用4%的 稀硫酸，在0. 压力下水解比，玉米忍还原糖和五碳糖的质量转化率分别为81 %和46 % ; 王欢等先采用60 %硫酸，酸固比12:1，45°C水解30min，再在水固比220:1条件下，100°C水解 120min，玉米賴杆总糖收率可达到93.81 %。然而，不论是采用何种工艺，都存在酸回收困 难、副产物多W及必须选用耐腐蚀设备等缺点。
[0006] 酶法水解是指木质纤维素经预处理后再在酶的作用下生成相应种类单糖的过程。 经过各种预处理后的木质纤维素原料通过添加纤维素酶等生物催化剂进行水解可获得还 原糖，但是目前水解用酶的制备成本高，导致成本上没有竞争力。
[0007] 为了解决W上弊端，Jeremy S丄uterbacher,Jacqueline M.Rand等多位学者将 γ-戊内醋应用于纤维素的水解反应中，得到了较高的收率，然而该方法溶剂用量大，设备 复杂，所得还原糖中不易于微生物利用的多糖W及寡聚糖含量达50% W上，如果用于发酵 还需要进一步通过传统工艺酸水解。
[0008] 因此，亟待发展一种易操作，易分离，成本低，环境友好的纤维素、半纤维素水解制 备单糖的方法，提高木质纤维素生物质利用的经济性，降低环境负担。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、经济、高效、环保的方法由纤维素、 半纤维素原料生产还原糖。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0011] -种在极性非质子溶剂中超低酸催化水解纤维素、半纤维素原料制备还原糖的方 法，它包括如下步骤：
[0012] (1)将水、极性非质子溶剂和浓硫酸按质量比1:4~9:0.0025~0.005混合均匀得 到混合溶剂；
[0013] (2)将纤维素、半纤维素原料加入步骤（1)得到的混合溶剂中浸润，从110°C~130 °C线性升溫至150~220°C，共加热反应30~60分钟，反应结束后趁热抽滤得滤液和滤渣；
[0014] (3)将滤渣加入步骤（1)得到的混合溶剂中浸润，从1 l〇°C~130°C线性升溫至150 ~220°C，共加热反应30~60分钟，反应结束后趁热抽滤得滤液和滤渣；
[0015] (4)将步骤(3)抽滤后得到的滤渣重复步骤(3)-次；
[0016] (5)收集合并步骤(2)、（3)、（4)所得的滤液，滤液通过二氧化碳超临界萃取分离水 相和有机相，或者滤液调节pH值至5~6后加入无机盐揽拌至完全溶解后静置过夜，分离水 相和有机相，所得水相即为含有还原糖的溶液。
[0017] 步骤（1)中，所述的极性非质子溶剂为丫-下内醋，丫-戊内醋、四氨巧喃或二甲基 甲酯胺极性非质子溶剂，优选丫-下内醋。
[0018] 步骤(1)中，所述的浓硫酸为95wt%的浓硫酸。
[0019] 步骤(1)中，优选将水、极性非质子溶剂和浓硫酸按质量比1:4:0.0025混合均匀得 到混合溶剂。
[0020] 步骤(2)中，所述的纤维素、半纤维素原料为玉米賴杆、玉米忍、小麦賴杆、甘薦渣 和稻草等廉价木质纤维素类生物质原料中的任意一种或几种的混合物，或者已经过预处理 脱除了其中半纤维素的W上原料。
[0021] 步骤(2)中，纤维素、半纤维素原料与混合溶剂的固液质量比为1:15~30,优选1: 20 〇
[0022] 步骤(3)中，混合溶剂的使用质量与步骤(2)中混合溶剂的使用质量相同。
[0023] 步骤(5)中，二氧化碳超临界萃取，具体条件为:压力72.9~92.9atm，溫度31.26~ 51.26°C，萃取时间为20~60分钟，优选条件为:压力73atm，溫度40°C，萃取时间为60分钟。
[0024] 步骤(5)中，滤液使用碳酸巧或氨氧化巧调节pH值至5~6。
[0025] 步骤(5)中，无机盐的加入质量为待加入的反应体系中水的总质量的0.5~12 %， 优选1%。由于整个反应在密闭容器中进行，因此，待加入的反应体系中水的总质量ΚΞ次 添加的混合溶剂中水的质量计算。
[0026] 步骤(5)中，所述的无机盐为氯化钢、硫酸钢、氯化钟和硫酸钟中的任意一种或几 种，优选氯化钢。
[0027] 步骤(5)中，分离得到的有机相回收重复利用，重新用于降解廉价生物质制备混合 糖或降解纤维素制备葡萄糖。
[00%]步骤(5)中，分离得到的水相中，总还原糖含量可达到180g/LW上，水解制糖收率 可达到91 % W上。获得的糖液可作为工业微生物的发酵碳源。
[0029] 有益效果:本发明与现有技术相比，具有W下优点：
[0030] 1.极性非质子溶剂可W回收循环使用，节约成本、环境友好。
[0031] 2.本法所得还原糖液中生物毒性物质含量低(其中乙酷丙酸、慷醒、径甲基慷醒的 含量均不高于Ig/L)，易于被微生物利用。
[0032] 3.酸催化剂用量极低，环境污染小，无需回收，节约成本。克服了【背景技术】中设备 复杂或分离困难、高溫高压、设备腐蚀等问题，属于环境友好工艺路线。
[0033] 4.当极性非质子溶剂选择丫-下内醋，水、极性非质子溶剂和浓硫酸质量比选择1: 4:0.0025，无机盐选择氯化钢时，通过本发明方法最终获得水解糖液，还原性单糖浓度可达 180g/LW上，收率达91 % W上，可减少后期浓缩能耗。
【具体实施方式】
[0034] 根据下述实施例，可W更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实 施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本 发明。
[0035] 实施例1:
[0036] 将lOg玉米賴杆加入200g混合溶剂中，混合溶剂组分是：水：丫 -下内醋：98wt %浓 硫酸(质量比）= 1:4:0.0025。揽拌后置于均相反应器中，从120°C线性升溫至220°C，共加热 反应60分钟，反应结束后趁热抽滤。滤渣取出继续加入200g混合溶剂，浸润，从120°C线性升 溫至220°C，共加热反应60分钟，反应结束后趁热抽滤。滤渣取出继续加入200g混合溶剂浸 润，从120°C线性升溫至220°C，共加热反应60分钟，反应结束，纤维素、半纤维素完全溶解。 收集所得滤液，滤液用碳酸巧调节pH值至5.5后加入水相质量1 %的氯化钢分离水相和有机 相。有机相回收再利用，水相通过HPLC分析各组分后，其中，纤维素、半纤维素转化率100%， 还原性单糖得率92%，总还原糖浓度181g/L，葡萄糖浓度86g/L，木糖浓度60g/L，乙酷丙酸 0.45g/L、慷醒0.35g/L、径甲基慷醒0.6g/L。
[0037] 实施例2:
[003引将lOg小麦賴杆加入200g混合溶剂中，混合溶剂组分是：水：丫 -下内醋：98wt%浓 硫酸(质量比）= 1:4:0.0025。揽拌后置于均相反应器中，从120°C线性升溫至220°C，共加热 反应60分钟，反应结束后趁热抽滤。滤渣取出，加入200g混合溶剂浸润，从120°C线性升溫至 220°C，共加热反应60分钟，反应结束后趁热抽滤。滤渣取出继续加入200g混合溶剂浸润，从 120°C线性升溫至220°C，共加热反应60分钟，反应结束，纤维素、半纤维素完