技术领域
本发明涉及一种预处理工艺，属于新能源领域，具体公开了一种提高禾本科原料纤维素 酶解糖化率的预处理工艺。
背景技术
随着化学工业的快速发展，能源需求量的增长与不可再生石化资源的短缺之间的矛盾日 益突出，因此，利用可再生资源生产新能源已成为科技工作者研究的热点。相对于传统的谷 物燃料，木质纤维素燃料具备“不与人争粮、不与粮争地”的优势被认为是最具发展前景的可 持续能源之一。
纤维素是植物细胞壁的三大组分(纤维素、半纤维素、木质素)之一，由半径为2-3nm 的微纤丝形成，成千上万的纤维束被木素和半纤维素包裹形成了尺寸在10-100μm的植物细 胞壁。植物细胞壁这种复杂稳定的结构使其对化学和生物降解均具有天然的顽抗性。此外， 纤维素分子链由葡萄糖单体通过β-(1-4)糖苷键连接而成，而且链间以及链内含有大量的氢 键，存在难以降解破坏的结晶区。由于其复杂的化学结构及天然的抗降解性，木质生物质降 解前的预处理过程已成为其高效利用的必要途径。预处理的目标是疏松或破坏纤维素的致密 结构以及木质素和半纤维素对纤维素的包裹，使纤维素、半纤维素和木素相对容易分离，从 而提高水解剂对纤维素的可及度和催化效率，使碳水化合物易于转变成可发酵性糖，从而用 来生产纤维素乙醇。在生物质转变为可发酵性糖的过程中，预处理过程一直被认为是成本耗 费最高的一个步骤。在纤维素类能源植物中，禾本科能源植物具有生长周期短、适应性强、 产量高等优点。因此，有必要研究开发一种能够提高禾本科原料纤维素酶解糖化率的预处理 工艺，达到降低预处理成本和提高预处理效率的目的。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种提高禾本科原料纤维素酶解糖化率的预 处理工艺。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高禾本科原料纤维素酶解糖化率的预处理工艺，包括以下步骤：
(1)将脱蜡处理的禾本科原料中加入离子液体[Emim]Ac和碱性盐(优选：碳酸钠，优 点：碳酸钠与碳酸氢钠的市场价格差不多，但是碳酸钠的碱性要比碳酸氢钠的强，选用碳酸 钠微调ph时用量更少，钾盐价格则偏高)。
(2)将步骤(1)的混合物在O2存在的情况下加热反应即可完成预处理(优选：脱蜡处 理的禾本科原料与离子液体[Emim]Ac的质量体积比为1:20)。
优选：所述步骤(1)中离子液体[Emim]Ac的质量浓度为50％(即：[Emim]Ac与水按质 量比为1：1混合。并向混合液中加入5‰(w/w)的无水碳酸钠(无水碳酸钠的作用是微调 体系Ph，加入更少量的无水碳酸钠，不能达到很好的效果，加入5‰(w/w)的无水碳酸钠 进行预处理，还原糖得率已经达到一个很高的水平。此处的5‰(w/w)指的是无水碳酸钠与 离子液体水体系的质量比)。
优选：所述步骤(2)中反应压力1.2MPa(压力过低导致氧脱木素的作用不明显，在该 压力下，能够达到较好的预处理效果，从经济节约的角度考虑，使用该压力进行预处理是最 优选择)。
优选：上述工艺还包括步骤(3)反应结束后，向反应物中加入与离子液体等体积的70-90℃ (优选：80℃)的水并搅拌(优选：250rpm/min搅拌1h。)
优选：上述工艺还包括步骤(4)步骤(3)结束后，对反应物离心分离，转速为3800rpm/min， 洗涤上述分离出的预处理物料直到洗液的PH为中性为止，并收集上述分离出的预处理液。
优选：上述工艺还包括步骤(5)将步骤(4)中洗涤好的预处理物料在55℃下烘干，并 通过旋蒸的方法回收离心后液体中的离子液体，旋蒸时的温度为75℃。
优选：所述步骤(1)中的脱蜡步骤如下：将禾本科原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯 和体积分数为95％的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液(苯醇抽提液能够更好的 脱除原料中含有的树脂、脂肪和蜡质)用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃、时间 为5h，抽提后的物料在50℃下烘干。
优选：所述步骤(2)的反应温度110-130℃、时间为15-60min。
本发明将水性离子液体([Emim]Ac])与水按照质量比1:1的比例混合并通过添加无水碳 酸钠微调体系的pH制成预处理溶剂，然后将物料与该预处理溶剂按照质量体积比为1:20的 比例均匀混合，并向该体系中通入O2，在110-130℃下进行预处理15-60min，该预处理方法 改善了离子液体预处理技术和湿氧化法预处理技术，大大提高了禾本科原料纤维素酶解糖化 率。实验结果表明，运用“O2/[Emim]Ac体系”对禾本科草类原料进行预处理，能够在很大程 度上提高原料的酶解效率。
本发明的有益效果是：
(1)运用“O2/[Emim]Ac体系”对禾本科草类原料进行预处理，在破坏纤维素结晶结构 的同时提高了木素的脱除率，显著提高了后续的酶解糖化率；
(2)预处理液中含有离子液体和水，通过蒸发浓缩可除去多余的水分，从而回收离子 液体，用回收后的离子液体进行“O2/[Emim]Ac体系”预处理仍然具有显著提高酶解糖化率的 效果，从而可节约预处理成本；
(3)本发明中，“O2/[Emim]Ac体系”预处理在120℃下处理15min即可达到较好的预 处理效果，因此可降低预处理过程中的能量消耗，提高预处理效率；
(4)本发明提高了禾本科原料纤维素酶解糖化率，为生产纤维素乙醇提供了一种有效的 预处理方法，使禾本科能源草的利用价值大大提高。
附图说明
图1为实施例1-5中，酶解后的葡萄糖浓度与酶解时间的关系图。
具体实施方式
实施例1
物料经脱蜡处理后直接进行酶水解，按下列步骤进行：
(1)将禾本科原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比 例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃、时间为5h，抽提后 的物料在50℃下烘干；
(2)将步骤(1)中的物料进行纤维素酶水解，酶解温度为50℃，时间为60h,酶活为 20FPU/g(基质)；
酶解后的最终葡萄糖浓度为1.25g/L。
实施例2
“离子液体水溶液体系”预处理杂交狼尾草对纤维素酶解率的影响，按下列步骤处理：
(1)将禾本科原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比 例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃，时间为5h，抽提后 的物料在50℃下烘干；
(2)将离子液体[Emim]Ac与水按照质量比1:1的比例混合并向该混合液中加入 5‰(w/w)的无水碳酸钠，将步骤(1)中的预处理物料与该预处理溶剂按照质量比1:20的比 例混合；
(3)对步骤(2)的反应釜加热，温度为120℃、时间为15min；
(4)步骤(3)结束后，向反应釜中加入与预处理溶剂等体积的温水并搅拌，水温为 80℃，时间为1h，转速为250rpm/min；
(5)步骤(4)结束后，对物料通过离心机进行固液分离，离心机转速为3800rpm/min 洗涤上述分离出的预处理物料直到洗液的pH为中性为止；
(6)将步骤(6)中洗涤好的预处理物料在55℃下烘干；
(7)将步骤(6)中的预处理物料进行纤维素酶水解,温度为50℃，时间为60h，酶活 为20FPU/g(基质)；
结果：“离子液体水溶液体系”预处理杂交狼尾草纤维素酶解后的最终葡萄糖浓度为 3.37g/L，相对于未经“离子液体水溶液体系”处理的物料(实施例1)相比，葡萄糖浓度提高 了2.7倍。
实施例3
“O2/水体系”预处理杂交狼尾草对纤维素酶解率的影响，按下列步骤处理：
(1)将禾本科原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比 例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃，时间为5h，抽提后 的物料在50℃下烘干；
(2)将向水中加入5‰(w/w)的无水碳酸钠，将步骤(1)中的预处理物料与该预处理 溶剂按照质量比1:20的比例混合；
(3)向步骤(2)的反应釜中通入O2时，反应釜内部压力为1.2MPa；
(4)对步骤(3)的反应釜加热，温度为120℃、时间为15min；
(5)步骤(4)结束后，向反应釜中加入与预处理溶剂等体积的温水并搅拌，水温为 80℃，时间为1h，转速为250rpm/min；
(6)步骤(4)结束后，对物料通过离心机进行固液分离，离心机转速为3800rpm/min 洗涤上述分离出的预处理物料直到洗液的pH为中性为止；
(7)将步骤(6)中洗涤好的预处理物料在55℃下烘干；
(8)将步骤(7)中的预处理物料进行纤维素酶水解,温度为50℃，时间为60h，酶活 为20FPU/g(基质)；
结果：“O2/水体系”预处理杂交狼尾草纤维素酶解后的最终葡萄糖浓度为5.51g/L。与未经 处理的物料(实施例1)相比，葡萄糖得率度提高了4.41倍，与“离子液体水溶液体系”预处 理(实施例2)相比，葡萄糖得率度提高了1.64倍。
实施例4利用本发明提出的预处理工艺进行预处理
“O2/[Emim]Ac体系”预处理杂交狼尾草对纤维素酶解率的影响，按下列步骤处理：
(1)将禾本科原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比 例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃、时间为5h，抽提后 的物料在50℃下烘干；
(2)将离子液体[Emim]Ac与水按照质量比1:1的比例混合并向该混合液中加入 5‰(w/w)的无水碳酸钠，将步骤(1)中的预处理物料与该预处理溶剂按照质量比1:20的比 例混合；
(3)向步骤(2)的反应釜中通入O2，反应釜内部压力为1.2MPa；
(4)对步骤(3)加热，温度在120℃、时间为15min；
(5)步骤(4)结束后，向反应釜中加入与预处理溶剂等体积的温水并搅拌，水温为 80℃，时间为1h，转速为250rpm/min；
(6)步骤(5)结束后，对物料通过离心机进行固液分离，离心机转速为3800rpm/min, 收集分离出的预处理液，洗涤上述分离出的预处理物料直到洗液的pH为中性为止；
(7)将步骤(6)中洗涤好的预处理物料在55℃下烘干，并将用旋转蒸发仪通过旋蒸 的方法回收上述预处理液中的离子液体，旋蒸时的温度为75℃；
(8)将步骤(7)中的预处理物料进行纤维素酶水解，酶解温度为50℃，时间为60h, 酶活为20FPU/g(基质)；
(9)将步骤(7)中回收的离子液体重复该案例中的预处理及酶解过程；
结果：步骤8酶解后的葡萄糖浓度为11.75g/L。与“O2/水体系”预处理(实施例3)酶解 后的葡萄糖浓度相比，葡萄糖浓度提高了2.2倍，与“离子液体水溶液体系”预处理(实施例2) 相比，葡萄糖浓度提高了3.5倍，与未经处理的物料(实施例1)相比，葡萄糖浓度提高了 9.4倍。步骤9为回收后的离子液体再次进行预处理，酶解后的葡萄糖浓度为10.86g/L。
实施例5不添加无水碳酸钠的“O2/[Emim]Ac体系”进行预处理
“O2/[Emim]Ac体系”预处理杂交狼尾草对纤维素酶解率的影响，按下列步骤处理：
(1)将禾本科原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比 例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃、时间为5h，抽提后 的物料在50℃下烘干；
(2)将离子液体[Emim]Ac与水按照质量比1:1的比例混合，将步骤(1)中的预处理 物料与该预处理溶剂按照质量比1:20的比例混合；
(3)向步骤(2)的反应釜中通入O2，反应釜内部压力为1.2MPa；
(4)对步骤(3)加热，温度在110℃、时间为15min；
(5)步骤(4)结束后，向反应釜中加入与预处理溶剂等体积的温水并搅拌，水温为 80℃，时间为1h，转速为250rpm/min；
(6)步骤(5)结束后，对物料通过离心机进行固液分离，离心机转速为3800rpm/min, 洗涤上述分离出的预处理物料直到洗液的pH为中性为止；
(7)将步骤(6)中洗涤好的预处理物料在55℃下烘干；
(8)将步骤(7)中的预处理物料进行纤维素酶水解，酶解温度为50℃，时间为60h, 酶活为20FPU/g(基质)；
结果：酶解后的最终葡萄糖浓度为3.46g/L。
酶解后的葡萄糖浓度与酶解时间的关系如下如图1所示。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。