CN105671091A - 利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法，将棉花秸秆粉碎后与离子液体[Bmim]Cl按照质量比为1:10-20混合，在常压下于70～140℃反应1～8h，然后冷却至室温，搅拌状态下加入水，抽滤，洗涤滤渣，干燥至恒重，得到再生秸秆。本发明利用离子液体[Bmim]Cl对棉花秸秆进行预处理，通过预处理条件的优化，不仅能有效增强棉花秸秆的酶解效率，提高可发酵还原糖的收率，而且克服了传统化学方法预处理工艺环境不友好等缺点。本方法操作简便，结果准确，重现性好，为棉花秸秆的预处理提供了一种新方法，也为纤维素资源的绿色应用提供了一个新平台。
Description
技术领域
本发明涉及可再生资源利用及纤维素化学领域，具体地说，涉及一种利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法。
背景技术
我国的农作物平均年产量高达6000万吨，有丰富的自然资源，但是利用率低，绝大多数的农业废弃物都以焚烧的形式处理。在浪费自然资源的同时，对生态环境也造成了一定的危害。随着科技的进步，把农作物秸秆进行加工，将纤维素水解制还原糖，再转化为燃料乙醇的研究对我国生态环境和农村经济发展意义重大，也可缓解能源短缺、化石能源的污染等问题。棉花秸秆中纤维素含量高达32％～46％，用其制备燃料乙醇对于解决能源危机和环境问题提供了一条新途径。
棉花秸秆除含丰富的韧皮纤维和大量的木质纤维素外，还具有介于木本植物和草本植物之间的特殊植物形态和结构，此外还富含粗蛋白、氮和磷，因此棉花秸秆具有很好的开发利用价值。但是较多的木质素和半纤维素包裹、包埋于纤维素骨架中，对纤维素产生空间位阻，阻碍催化剂对纤维素的可及性；同时由于纤维素的结晶区难于水解，其高结晶程度会降低催化剂水解纤维素的效率，对棉花秸秆等木质纤维素的开发和利用有一定的限制。为了提高秸秆的利用率和附加值，寻找一种理想的秸秆预处理方法非常必要。目前预处理技术存在处理效果与成本的不对应，难于同时达到低成本和高效的预处理方法，故提高预处理的效率和降低预处理成本已成为研究的关键所在。
离子液体是新兴起的一种极具应用前景的绿色溶剂，是一种完全由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的低温熔融盐。近年来，离子液体以其热稳定性好、不易燃、不挥发、电导率高、溶解范围广、可重复利用等特点引起了国内外学者的重视。离子液体对生物质秸秆的预处理，主要是将干燥的秸秆与离子液体相互混合，在一定温度下搅拌至其完全溶解，向溶解后的纤维素和离子液体的混合溶液中加入水或乙醇等反溶剂使纤维素再生出来，充分洗涤以保证离子液体被完全去除。然后利用再生纤维素与纤维素酶作用产生的还原糖发酵制备燃料乙醇。离子液体处理生物质原料可以缩短纤维素水解的时间，提高还原糖的产率，相对于酸处理、碱处理等方法处理的产糖效果更好。
目前常用的预处理方法包括物理法、化学法和生物法。物理法包括机械磨碎、蒸汽爆破法和电离福射法等，机械法可以降低物料的尺寸，降低结晶度；蒸汽爆破法可以促使纤维素中木质素溶于醇溶液中。化学法主要是利用酸、碱、氨等处理纤维素原料。生物法是利用细菌或真菌来降解木质素。这几种方法虽然可以达到对纤维素进行预处理的目的，但都具有一定的弊端。物理法能耗大、成本高而且效率低，化学法使用酸、碱和有机试剂会对环境产生一定的影响，目前生物法可采用的微生物种类较少，而且作用周期较长。
发明内容
本发明针对现有预处理棉花秸秆方法中存在的缺陷或不足，提供一种新型的利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法，旨在破坏棉花秸秆致密的结构，利于后续酶解糖化。
为了实现本发明目的，本发明提供的利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法，将棉花秸秆粉碎后与离子液体[Bmim]Cl按照质量比为1:10-20混合，在常压下于70～140℃反应1～8h，然后冷却至室温，搅拌状态下加入水(优选去离子水)、乙醇或丙酮，抽滤，洗涤滤渣，干燥至恒重，得到再生秸秆。
本发明中还可以使用离子液体[Amim]Cl、[Emim]Ac等来替代[Bmim]Cl预处理棉花秸秆。与其它种类的离子液体相比，[Bmim]Cl的合成工艺相对简单，成本相对较低，且处理效果较好，优选用于本发明中。
具体地，所述方法包括以下步骤：
1)棉花秸秆经干燥后，粉碎，过40-80目筛(优选过40目筛)，得到棉花秸秆粉；
2)将棉花秸秆粉与离子液体[Bmim]Cl按照质量比为1:10混合，在常压下于120℃反应4h，然后冷却至室温，搅拌状态下加入水、乙醇或丙酮，抽滤，洗涤滤渣，干燥至恒重，得到再生秸秆。
前述的方法，步骤2)用油浴加热。
前述的方法，步骤2)用水(优选蒸馏水)、乙醇或丙酮将滤渣洗至滤液呈无色，然后将滤渣于60℃烘干至恒重。
前述的方法，步骤2)使用布氏漏斗进行抽滤。
上述方法还适用于玉米秸秆、小麦秸秆和甘蔗渣等生物质材料的预处理。
本发明还提供所述预处理方法在提高棉花秸秆酶解效率中的应用。
本发明还提供利用所述预处理方法制备的再生秸秆。
本发明进一步提供所述再生秸秆在酶解糖化制备乙醇发酵原料中的应用。具体如下：
取适量再生秸秆，按照固液比1～15mg/mL加入柠檬酸盐缓冲液，再按照20～60FPU/g再生秸秆的比例加入纤维素酶，于40～80℃、摇床转速120～250r/min条件下保温反应12～48h，得到以还原糖为主要成分的糖液，作为乙醇发酵原料。
优选地，取适量再生秸秆，按照固液比10mg/mL加入pH4.80.1mol/L柠檬酸盐缓冲液，再按照40FPU/g再生秸秆的比例加入纤维素酶，于50℃、摇床转速150r/min条件下保温反应24h，然后置于沸水浴中灭酶10min，离心分离得到以还原糖(葡萄糖)为主要成分的糖液，用DNS法测定还原糖含量。本发明中使用的纤维素酶为美国MP公司生产的商品化纤维素酶，酶活力为160FPU/g。
本发明利用离子液体[Bmim]Cl对棉花秸秆进行预处理，通过预处理条件的优化(即，在单因素试验的基础上，以离子液体[Bmim]Cl预处理温度、时间、液固比为因素，以失重率、还原糖得率为试验指标，设计三因素三水平正交试验，以优化预处理参数)，不仅能有效增强棉花秸秆的酶解效率，提高了可发酵还原糖的收率(预处理后的再生秸秆中纤维素含量可达29.1±0.2％)，而且克服了传统离子液体预处理工艺环境不友好等缺点。本方法操作简便，结果准确，重现性好，为棉花秸秆的预处理提供了一种新方法，也为纤维素资源的绿色应用提供了一个新平台。
附图说明
图1为本发明实施例中预处理时间对失重率和还原糖得率影响。
图2为本发明实施例中预处理温度对失重率和还原糖得率影响。
图3为本发明实施例中液固比对失重率和还原糖得率影响。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
以下实施例中使用的纤维素酶来源于美国MP公司，来源于黑曲霉，酶活力为160FPU/g。
实施例利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法
为了提高棉花秸秆中的还原糖得率，在前期研究的基础上，利用离子液体[Bmim]Cl对棉花秸秆进行预处理，获得了提高还原糖得率的预处理条件。
具体操作如下：
1、原料处理：将来自中国农业科学院棉花研究所试验农场的棉花秸秆去除杂草、灰尘等杂质，风干、粉碎，过40目筛。
2、离子液体[Bmim]Cl预处理时间对预处理效果的影响
分别称取8份粉碎后的棉花秸秆粉0.2000g，按液固比10:1(w/w)加入[Bmim]Cl后混匀，在100℃油浴分别加热1、2、3、4、5、6、7、8h。将溶解液置于磁力搅拌器上，缓慢加入去离子水重新析出纤维素，然后将混合物倒入布氏漏斗抽滤，用蒸馏水将滤渣洗至滤液呈无色，表明离子液体已完全除尽，将滤渣于60℃下烘干至恒重，得到再生秸秆，称重，计算失重率。取一定量经过预处理的棉花秸秆，加入0.1mol/L的柠檬酸盐缓冲液(pH＝4.8)，调整底物浓度为1％(即10mg/mL)，置于50℃、转速150r/min水浴摇床中保温反应。每个样品按照40FPU/g再生秸秆的比例加入纤维素酶，反应24h后置于沸水浴中灭酶10min，离心分离得酶水解糖液，用DNS法测定还原糖含量。结果见图1。
由图1可以看出随着[Bmim]Cl预处理时间的延长，失重率不断增加，还原糖得率呈现先升高后下降趋势，经预处理的秸秆还原糖得率显著高于未处理秸秆(17.04％)。延长反应时间会使纤维素在离子液体中溶解更加充分，但反应时间过长，样品中的纤维素和半纤维素部分降解，造成木质纤维素回收得率减小，同时秸秆材料萎缩变形，反而会使纤维素酶无法充分与纤维素接触反应，从而降低酶解产糖量。从经济角度考虑，处理时间在3～5h时，样品还原糖产量较高。
3、离子液体[Bmim]Cl预处理温度对预处理效果的影响
分别称取4份粉碎后的棉花秸秆粉0.2000g，按液固比10:1(w/w)加入[Bmim]Cl后混匀，分别在70℃、100℃、120℃、140℃油浴加热3h。将溶解液置于磁力搅拌器上，缓慢加入去离子水重新析出纤维素，然后将混合物倒入布氏漏斗抽滤，用蒸馏水将滤渣洗至滤液呈无色，表明离子液体已完全除尽，将滤渣于60℃下烘干至恒重，得到再生秸秆，称重，计算失重率。取一定量经过预处理的棉花秸秆，加入0.1mol/L的柠檬酸盐缓冲液(pH＝4.8)，调整底物浓度为1％(即10mg/mL)，置于50℃、转速150r/min水浴摇床中保温反应。每个样品按照40FPU/g再生秸秆的比例加入纤维素酶，反应24h后置于沸水浴中灭酶10min，离心分离得酶水解糖液，用DNS法测定还原糖含量。结果见图2。
由图2可以看出，随着[Bmim]Cl预处理温度的升高，秸秆失重率呈现明显增大趋势，还原糖得率在低温预处理时(<120℃)呈现线性增长趋势，当温度达140℃时，还原糖得率却出现明显下降。当温度升高到140℃时，经过预处理的秸秆会发生炭化、变黑，这是温度过高且溶解时间过长导致纤维素在溶解过程中发生降解，导致还原糖得率反而低于未处理秸秆。因此，[Bmim]Cl预处理棉花秸秆时的适宜温度在70～120℃之间，此时可保持较高的还原糖得率。
4、液固比对预处理效果的影响
分别称取3份粉碎的棉花秸秆粉0.2000g，按液固比10:1、15:1、20:1(w/w)加入[Bmim]Cl后混匀，在100℃油浴加热3h。将溶解液置于磁力搅拌器上，缓慢加入去离子水重新析出纤维素，然后将混合物倒入布氏漏斗抽滤，用蒸馏水将滤渣洗至滤液呈无色，表明离子液体已完全除尽，将滤渣于60℃下烘干至恒重，得到再生秸秆，称重，计算失重率。取一定量经过预处理的棉花秸秆，加入0.1mol/L的柠檬酸盐缓冲液(pH＝4.8)，调整底物浓度为1％(即10mg/mL)，置于50℃、转速150r/min水浴摇床中保温反应。每个样品按照40FPU/g再生秸秆的比例加入纤维素酶，反应24h后置于沸水浴中灭酶10min，离心分离得酶水解糖液，用DNS法测定还原糖含量。结果见图3。
由图3可以看出，当预处理温度为100℃、处理3h时，随着液固比的增大，预处理秸秆的失重率和还原糖得率均呈现增大趋势，不同液固比处理的秸秆，其糖化后还原糖得率间没有显著差异，但显著高于未处理秸秆。在保证秸秆表面与离子液体接充分触的情况下，使用过多的离子液体会造成试剂浪费。综合考虑，后续试验在10:1-20:1之间优化。
5、预处理条件的优化试验
在单因素试验的基础上，以离子液体[Bmim]Cl预处理温度、时间、液固比为因素，以失重率、还原糖得率为试验指标，设计三因素三水平正交试验，即L9(34)试验以优化预处理参数。试验方案及结果见表1。
表1离子液体预处棉花秸秆条件的优化试验结果
6、正交试验结果分析
从表1极差分析结果可以看出，对失重率、还原糖得率影响的因素主次顺序为A＞C＞B，表明预处理时预处理温度对棉花秸秆失重率、还原糖得率的影响最大，是离子液体预处理秸秆的关键因素，其次液固比和预处理时间；进一步利用SPSS软件进行方差分析，结果表明预处理温度对失重率、还原糖得率均有显著影响(F失重率＝51.58，p失重率＝0.019；F得率＝33.94，p得率＝0.029)，液固比和时间的影响均不显著。综合分析，优化预处理条件为A3B3C1，即预处理温度为120℃、时间5h、液固比为10:1。对优化工艺条件进行验证，其预处理后棉花秸秆的失重率和还原糖得率分别为39.58％和29.72％，还原糖得率高于表1中各项结果。在实际应用中，可适当减少处理时间及液固比，以节约资源，提高预处理效率。因此，从节约成本的角度考虑，确定A3B2C1为最终的优化预处理条件，即预处理温度为120℃、时间4h、液固比为10:1。
本发明利用离子液体[Bmim]Cl对棉花秸秆进行预处理，以处理后失重率和还原糖得率为指标，利用正交试验设计对其处理条件进行了优化，获得了提高还原糖得率的离子液体预处理条件。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法，其特征在于，将棉花秸秆粉碎后与离子液体[Bmim]Cl按照质量比为1:10-20混合，在常压下于70～140℃反应1～8h，然后冷却至室温，搅拌状态下加入水、乙醇或丙酮，抽滤，洗涤滤渣，干燥至恒重，得到再生秸秆。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)棉花秸秆经干燥后，粉碎，过40-80目筛，得到棉花秸秆粉；
2)将棉花秸秆粉与离子液体[Bmim]Cl按照质量比为1:10混合，在常压下于120℃反应4h。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2)用油浴加热。
4.根据权利要求2或3任一项所述的方法，其特征在于，步骤2)用水、乙醇或丙酮将滤渣洗至滤液呈无色，然后将滤渣于60℃烘干至恒重。
5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤2)使用布氏漏斗进行抽滤。
6.根据权利要求1-5任一项所述方法制备的再生秸秆。
7.权利要求6所述再生秸秆在酶解糖化制备乙醇发酵原料中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，取适量再生秸秆，按照固液比1～15mg/mL加入柠檬酸盐缓冲液，再按照20～60FPU/g再生秸秆的比例加入纤维素酶，于40～80℃、摇床转速120～250r/min条件下保温反应12～48h，得到以还原糖为主要成分的糖液，作为乙醇发酵原料。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，取适量再生秸秆，按照固液比10mg/mL加入pH4.80.1mol/L柠檬酸盐缓冲液，再按照40FPU/g再生秸秆的比例加入纤维素酶，于50℃、摇床转速150r/min条件下保温反应24h，然后置于沸水浴中灭酶10min，离心分离得到以还原糖为主要成分的糖液，用DNS法测定还原糖含量。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于，所述纤维素酶为商品化纤维素酶，选自来源于黑曲霉的纤维素酶。
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