一種多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸稈及其循環利用方法
【專利摘要】本發明涉及一種多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸稈及其循環利用方法，屬于化學工程領域。在氯化膽堿、天冬氨酸和谷氨酸組成的多氫鍵供體低共熔溶劑體系中，加入玉米秸稈，90～130℃預處理0.5～3h后，將混合物離心，收集上清液，沉淀用去離子水洗滌三次。向上清液加入一定量的玉米秸稈，一定溫度下預處理一定時間，重復上述步驟。將預處理后的玉米秸稈與檸檬酸?檸檬酸鈉緩沖液按一定固液比混合，添加纖維素酶進行酶解，最終葡萄糖產率>76％，并且多氫鍵供體低共熔溶劑在循環利用4次后，葡萄糖產率>65％。本發明工藝簡單，具有效率高、過程經濟、三廢少等優點，并且預處理后的玉米秸稈水解液可以用來發酵生產丁醇。
【專利說明】
一種多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸稈及其循環利用 方法
技術領域
[0001] 本發明公開了一種利用多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸桿及其循環利用方 法，屬于化學工程領域。
【背景技術】
[0002] 我國是農業大國，木質纖維素原料相當豐富，僅每年的農作物秸桿產量就有7億 噸，約占全世界秸桿總量的30%，折合標準煤量約3.5億噸。農作物秸桿含有豐富的纖維素 及半纖維素，是一種寶貴的可再生資源，但在我國，有相當多的農作物秸桿被棄置或者焚 燒，沒有得到合理利用。據報道，我國秸桿利用率約為33%，其中大部分沒有經過處理，經過 處理后利用的僅占2.6%。因此，如果能夠綜合利用這些農作物秸桿資源，不僅能增加農民 收入，而且對節約資源、保護環境、促進農業的可持續發展具有重要意義。但是由于秸桿的 天然結構非常復雜，在高效利用秸桿中的可發酵糖之前必須對秸桿進行預處理。預處理的 目的主要是破壞秸桿的整體結構，脫除秸桿中的木質素并破壞纖維素的晶體結構，增加生 物質的孔隙率，提高比表面積和纖維素酶對纖維素的可及性，從而提高纖維素和半纖維素 的水解率。目前，預處理方法主要有物理法、化學法、生物法以及前三種方法的組合法。其中 化學法和物理法是各國研究者的研究重點。化學法主要是利用酸、堿、有機溶劑等化學試劑 的催化作用或溶解作用，破壞纖維素的晶體結構，使半纖維素降解或溶解，并使木質素膨脹 以消除對纖維素的保護作用，增加木質纖維素生物質的孔隙率和比表面積，提高纖維素與 酶的接觸幾率，獲得較高的酶解效率。
[0003] 近年來離子液體對木質纖維素生物質的預處理情況得到了人們的廣泛關注。但 是，離子液體的"綠色方面"最近受到了極大的質疑，其可能的毒性以及非常低的生物降解 性目前文獻里都有所報道。為了克服這些缺點并保持離子液體的優良特性，Abbott等人 (Journal of the American Chemical Society,2004,126:9142-9147)報道了一種新型的 離子液體:低共熔溶劑。相對于傳統酸堿預處理方法而言，低共熔溶劑作為一種綠色溶劑， 在預處理玉米秸桿的過程中不僅減少了環境污染，而且低共熔溶劑還具有易于回收的特 點，這就極大地降低了預處理成本。2014年，Xia等人(RSC Advances,2014,4:10586-10596) 首先用膽堿類低共熔溶劑來處理纖維素和柳枝稷，這是首次將低共熔溶劑應用于木質纖維 素生物質的預處理。我們課題組建立了多氫鍵供體低共熔溶劑(氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨 酸)預處理玉米秸桿的方法，處理效果要比一般低共熔溶劑明顯。并且經過多氫鍵供體低共 熔溶劑預處理的玉米秸桿的水解液可以用來發酵生產丁醇，對丁醇生產菌株沒有抑制作 用。
【發明內容】
[0004] 本發明需要解決的技術問題是公開一種利用多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米 秸桿及其循環利用方法，實現玉米秸桿的高效糖化。
[0005] 本發明的一種利用多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸桿及其循環利用方法，按 照如下步驟進行：
[0006] 在多氫鍵供體低共熔溶劑體系（氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨酸）中，加入玉米秸桿， 90~130Γ預處理玉米秸桿0.5~3h后，將混合物離心，收集上清液，并將沉淀用去離子水洗 滌三次。取上述上清液加入一定量的玉米猜桿，在一定溫度下預處理玉米猜桿一定時間，重 復上述步驟。將預處理后的玉米秸桿與檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液按一定固液比混合，然后用 纖維素酶進行酶解，在150rpm的水浴搖床上反應，即可達到酶解玉米秸桿的目的。
[0007] 其中，氯化膽堿、天冬氨酸與谷氨酸的摩爾比為2:0.5:0.5~2:1.5:1.5。
[0008] 其中，多氫鍵供體低共熔溶劑與玉米秸桿的質量比為7:1~30:1。
[0009]其中，酶解玉米秸桿時的固液比為1:10。
[0010]本發明的有益效果：
[0011]本發明的一種多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸桿及其循環利用方法，用兩種 酸性氨基酸作為氫鍵供體合成多氫鍵供體低共熔溶劑，在預處理玉米秸桿過程中能夠達到 較好的預處理效果。預處理玉米秸桿具有過程經濟、三廢少等優點。并且預處理后的玉米秸 桿水解液可以用來發酵生產丁醇。
【附圖說明】
[0012] 圖1利用預處理玉米秸桿水解液發酵生產丁醇結果。
【具體實施方式】
[0013] 葡萄糖含量利用高效液相色譜(HPLC)進行測定。葡萄糖產率=酶解過程中的葡萄 糖含量X 100%/玉米秸桿中的理論葡萄糖含量。
[0014] 實施例1不同摩爾比的氯化膽堿、天冬氨酸與谷氨酸預處理玉米秸桿
[0015] 取100g不同摩爾配比的氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨酸(2:0.5:0.5、2:1:0.5、2:0.5: I、2:1:1和2:1.5 :1.5)，加入5g玉米秸桿，在130 °C下攪拌處理2h，然后將混合物離心，用去 離子水洗滌沉淀3次。在烘干的沉淀中加入pH 4.8、50mM的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液形成混 合體系，玉米秸桿最終質量濃度為10%，加入50 FPU·g丄_aIia的纖維素酶進行酶解，在50°C和 150rpm的水浴搖床上酶解72h，測葡萄糖產率，結果如表1。
[0016] 表1氯化膽堿、天冬氨酸與谷氨酸摩爾比的優化結果
[0018] 實施例2多氫鍵供體低共熔溶劑與玉米秸桿的質量比優化
[0019] 取100g摩爾比為2:1:1的氯化膽堿:天冬氨酸：谷氨酸，分別按質量比7:1、10:1、 15:1、20:1和30:1加入玉米秸桿，在130°C下攪拌處理2h，然后將混合物離心，用去離子水洗 滌沉淀3次。在烘干的沉淀中加入pH 4.8、50mM的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液形成混合體系，玉 米秸桿最終質量濃度為10 %，加入50 FPU·的纖維素酶進行酶解，在50 °C和150rpm的 水浴搖床上酶解72h，測葡萄糖產率，結果如表2。
[0020]表2多氫鍵供體低共熔溶劑與玉米秸桿的質量比優化結果
[0022]實施例3回收的多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸桿
[0023]取100g摩爾比為2:1:1的氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨酸，加入5g玉米秸桿，在130°C 下攪拌處理2h，然后將混合物離心，取上清液，加入玉米秸桿(上清液與玉米秸桿質量比為 20:1)，在130°C下攪拌處理2h，重復上述步驟。所有沉淀用去離子水洗滌3次。在烘干的沉淀 中加入pH 4.8、50mM的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液形成混合體系，玉米秸桿最終質量濃度為 10%，加入5:0 FMigiIudw的纖維素酶進行酶解，在50cC和150rpm的水浴搖床上酶解72h。回 收4次的氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨酸預處理的玉米秸桿葡萄糖產率為65.4%，結果如表3。 [0024]表3回收的多氫鍵供體低共熔溶劑預處理玉米秸桿結果
[0026] 0:新鮮氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨酸預處理的玉米秸桿；1~4:循環利用1~4次的 氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨酸預處理的玉米秸桿。
[0027] 實施例4利用預處理玉米秸桿水解液發酵生產丁醇。
[0028] 取一定量氯化膽堿:天冬氨酸:谷氨酸預處理的玉米秸桿，加入pH 4.8、50mM的檸 檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，并加入50 FPlPgtoLrfa的纖維素酶，使最終固液比為1:10,在50°C和 150rpm的水浴搖床上酶解72h，離心獲得玉米秸桿水解液，并加入如下成分配成培養基：玉 米漿干粉IOg · L-SCaCO3 4g · !/S(NH4)2SO4 2g · L-SK2HPO4 〇.5g · L-SMnSCk · H2O O.Olg · L-、調pH至6.5，115°C滅菌20min。接種活化的Clostridium saccharobutylicum DSM 13864(10%，v/v)，在37°C下厭氧培養。56h時，丁醇產量為8.6g · IT1，產率為 0.21 g-gl-r，時空產率為0.15g · L-1 · h-S結果如圖1。
【主權項】
1. 一種多氨鍵供體低共烙溶劑預處理玉米賴桿及其循環利用方法，其特征在于按照如 下方法進行： 在多氨鍵供體低共烙溶劑體系中，W摩爾比2:0.5:0.5~2:1.5:1.5 (氯化膽堿:天冬氨 酸:谷氨酸)合成低共烙溶劑，在90~130°C下預處理玉米賴桿0.5~化后，將混合物離屯、，收 集上清液，沉淀用去離子水洗涂Ξ次。取上述上清液加入一定量的玉米賴桿，在一定溫度下 預處理玉米賴桿一定時間，重復上述步驟。在烘干的沉淀中加入抑4.8、50mM的巧樣酸-巧 樣酸鋼緩沖液形成混合體系，玉米賴桿最終質量濃度為10%，然后加入50 ,的纖 維素酶(ACXELLERA沈*1500)，在50°C和15化pm的水浴搖床中進行玉米賴桿的酶解反應。2. 根據權利要求1所述的一種多氨鍵供體低共烙溶劑預處理玉米賴桿及其循環利用方 法，其特征在于氯化膽堿、天冬氨酸及谷氨酸的摩爾比為2:0.5:0.5~2:1.5:1.5。3. 根據權利要求1所述的一種多氨鍵供體低共烙溶劑預處理玉米賴桿及其循環利用方 法，其特征在于多氨鍵供體低共烙溶劑與玉米賴桿的質量比為7:1~30:1。
【文檔編號】C12P19/02GK106086106SQ201610411994
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610411994.5, CN 106086106 A, CN 106086106A, CN 201610411994, CN-A-106086106, CN106086106 A, CN106086106A, CN201610411994, CN201610411994.5
【發明人】倪曄, 許國超, 丁紀財, 董晉軍, 韓瑞枝
【申請人】江南大學