離子液體對生物質預處理的影響

木材纖維資源廣泛，價格低，是生物能源最理想的原料之一1。木質纖維素直接水解的糖化產率太低。通過預處理增加纖維素的反應面積,以提供更多的酶解反應接位點［2］,從而提高酶水解糖化產率。酸預處理能水解半纖維素,破壞由共價鍵、氫鍵、范德華力聯接的木質纖維素［3］,因而被廣泛應用于工業。但是酸有腐蝕性,對儀器、設備的要求比較高;其次,酸水解會產生抑制發酵的副產物［4］。離子液體(ILs)由有機陽離子和無機陰離子組成,大多數ILs在室溫下是液態,當溫度升至300℃時性能依然穩定［5］,幾乎不產生蒸汽壓［6］,并且無毒無害［7］。目前,ILs已成為應用于生物質預處理的新型方法之一［8］。不同種類的ILs可以溶解纖維素［9-11］、木素［12］甚至生物質［13-15］。帶有咪唑型基團,含有如氯離子、醋酸鹽或甲酸鹽陰離子的ILs比較容易溶解纖維素［14］。含氯ILs的氯陰離子和纖維素的羥基質子之間可形成氫鍵［16］,使得纖維素分子內的氫鍵斷裂,經過反沉淀劑的作用使離子液和纖維素分離,暴露出更多的羥基,使酶解反應進行得更為充分。離子液體MMIMMeOSO3［12］、EmimAc和AmimCl［17］均可溶解木素。二甲亞砜-4丁基氯化銨和二甲亞砜咪唑鹽二元體系可溶解木粉［2］,BmimCl、AmimCl也可以有效地溶解生物聚合物［8，19］。EmimAc溶解木素的能力較強［17，20］,而AmimCl則易于溶解纖維素［21］。目前有關ILs預處理生物質最佳條件的探索以及與傳統預處理方法效果的對比研究報道很少。此外,ILs作用生物質的機理,如ILs是如何引起生物質性質的改變,如何破壞木素和纖維素、半纖維素的聯接,對后續的酶解糖化的影響等尚不明確。本文探索了這2種ILs對桉木和甘蔗渣進行預處理的條件,通過糖化產率檢測其預處理效果,并與傳統的預處理方法進行了比較,以期為ILs預處理的實際應用提供實驗依據。1實驗部分1.1試劑與儀器甘蔗渣(廣西科學院);桉木(海南洋浦);離子液體:1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽(EmimAc,上海成捷化學有限公司)99%,氯化-1-丙烯基-3-甲基咪唑(AmimCl,上海成捷化學有限公司)99%;濃硫酸(湖南凱信化學試劑廠),氫氧化鈉(天津市百世化工有限公司),亞硫酸鈉(天津市致遠化學試劑有限公司),五氧化二磷(天津市化學試劑六廠),苯(天津市富宇精細化工有限公司),苯酚(天津市福晨化學試劑廠),冰乙酸(天津市致遠化學試劑有限公司),葡萄糖(天津市福晨化學試劑廠),3,5-二硝基水楊酸(天津市光復精細化工研究所),酒石酸鉀鈉(天津市致遠化學試劑有限公司),檸檬酸(天津市廣成化學試劑有限公司),檸檬酸三鈉(天津市福晨化學試劑廠),以上試劑均為分析純;纖維素酶(諾維信公司),最適溫度65℃,最適pH=5,標稱活力:700EGU/g。AL104/01型電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司);DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(上海一凱儀器設備有限公司);FW-100型高速萬能粉碎機(北京市永光明醫療儀器廠);DHG-9140A型電熱鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司);DZF-6050型真空干燥箱(上海一恒科技有限公司);FTIR-8400S型傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津);LIV-3200型紫外分光光度計(上海美譜達儀器有限公司);THZ-100型恒溫培養搖床(上海一恒科技有限公司);SU-70型掃描電子顯微鏡(日本日立);Centrifuge5810R型離心機(eppendorf);SHB-III型循環水式多用真空泵(河南省予華儀器有限公司);反應釜(鄭州博科儀器設備有限公司);HYC-326A型冰箱(青島海爾特種電器有限公司)。1.2生物質還原糖含量的測定將甘蔗渣和桉木45℃真空干燥24h,放在干燥器中備用。稱取一定量的EmimAc或AmimCl和生物質于50mL燒瓶內,用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器攪拌一定時間。在這個過程中,ILs不能完全溶解生物質,只能形成固液懸浮液。到達反應終點,加水沉淀出ILs溶解的物質,然后用G2坩堝濾器過濾再生生物質,用大量的去離子水洗去ILs,將再生生物質于45℃真空干燥24h,用纖維素酶水解測定其還原糖含量。取3次實驗平均值。1.3回流3h的時間甘蔗渣的傳統預處理［22］:將甘蔗渣加入4%H2SO4,以固液質量比1∶20混合,常壓煮沸回流3h。桉木的傳統預處理［23］:用堿(NaOH+Na2SO3),其中w(NaOH)為3%(以絕干桉木粉質量為基準),w(Na2SO3)為12%,將二者配成混合堿液,固液質量比為1∶3,在反應釜內170℃保溫2h完成堿預處理。取3次實驗的重復值。1.4酶解纖維素酶活性在25mL試管中加入一定量的再生生物質,0.1mol/L檸檬酸緩沖溶液(pH=5),加入一定量的纖維素酶,使其底物濃度為10g/L。置于50℃、轉速為180r/min的恒溫培養搖床中,水解24h。釋放的還原糖用DNS［24］測定在540nm的吸光度。2結果與討論2.1溫度對生物質酶解反應的影響圖1為溫度對ILs預處理效果的影響。從圖1可以看出,糖化產率隨溫度升高而升高。因為溫度的升高促使生物質分子間的氫鍵更易打開,從而暴露更多的羥基,有利于酶解反應的進行。反應終點定為140℃,超過此溫度,生物質的結構會產生變化,此時,2種ILs對甘蔗渣或是桉木的預處理效果最好。2.2amimcl預處理生物質固/液比的確定圖2為液/固比對ILs預處理效果的影響。從圖2可以看出,EmimAc和AmimCl對2種生物質的最佳固液比均為1∶15。此時,ILs能充分地與生物質反應,有效地促使纖維素分子內氫鍵斷裂,同時ILs溶解的生物質已經達到飽和,繼續增加ILs量也不能溶解更多的生物質,反而抑制ILs與纖維素的作用,導致糖化產率下降。從圖中可以看出,改變比例對預處理效果的影響AmimCl不如EmimAc明顯。綜合考慮節約成本和預處理效果,確定AmimCl預處理生物質的最佳固/液比為1∶15。用ILs預處理生物質的溫度通常為110℃［25］］,120℃［26-27］,固液比為1∶20［27-28］。本文中的處理溫度雖高些(140℃),但是固液比為1∶15,所需的ILs較小,可以節約成本。2.3不同種類的imcl預處理的療效比較圖3為時間對ILs預處理效果的影響。從圖3可以看出,EmimAc對桉木和甘蔗渣的預處理時間分別是12和4h,而AmimCl的處理時間分別是14和8h。不同種類的ILs、生物質和檢測指標,最佳處理時間不盡相同,跨度也比較大,用[Bmpy][Cl]預處理桉木和甘蔗渣,用糖化產率作為指標,10min的預處理效果好于60min［28］;用EmimAc預處理麥秸,以溶出的酸不溶木素量作為指標,探索0.5~24h溶解出的木素量,以90min為最佳［20］。2.4再生甘蔗渣的糖化產率以糖化產率作為比較的指標。用堿、EmimAc和AmimCl預處理過的再生桉木的糖化產率提高的倍數分別是3.39、13.93和4.66。用酸、EmimAc和AmimCl預處理過的再生甘蔗渣的糖化產率提高的倍數分別是1.35、3.89和2.84。可見,不論是桉木或是甘蔗渣,ILs的預處理效果均優于傳統用酸、堿的預處理效果,且EmimAc的預處理效果優于AmimCl。因為EmimAc的粘度比AmimCl的小,更容易滲入生物質內進行反應。此外,EmimAc溶解木質素能力較強。木質素被溶解后,生物質失去保護結構從而變得不穩定,且孔隙率增加,酶與生物質反應的位點增加,提高了糖化產率。而AmimCl較易溶解纖維素,對甘蔗渣或是桉木的預處理效果均弱于EmimAc。2.5amimcl預處理桉木糖化學成分對白砂糖糖化產率的影響圖4和圖5分別為原生桉木、再生桉木和原生甘蔗渣、再生甘蔗渣的紅外譜圖。從圖中可以看出,經過預處理后,3000~3600cm－1范圍內的分子內氫鍵振動吸收峰變寬變弱,表明分子內的氫鍵受到破壞,有利于后續的酶解糖化。半纖維素木聚糖的紅外特征吸收峰為1742、1595cm－1,而1505cm－1則為木素的特征峰。半纖維素和木素在1237cm－1處均有吸收。纖維素的特征峰為2900、1425和1374cm－1。從圖4可以看出,EmimAc(c)對桉木中半纖維素和木素的破壞作用比用堿(b)和AmimCl(d)處理要更大,但是三者對其中纖維素的降解程度較為一致。從圖5可知,AmimCl(d)預處理對甘蔗渣中纖維素的破壞程度要比EmimAc(c)和酸(b)造成的破壞程度要大,對木素的破壞程度略強于后二者,但是三者對甘蔗渣中半纖維素的破壞程度相近。1047cm－1的吸收峰代表結晶纖維素,可見在預處理之后,纖維素的結晶度下降,有利于酶進入纖維素內部,從而可提高糖化產率。綜上分析可知,用EmimAc預處理桉木的效果優于AmimCl;用AmimCl、EmimAc和酸預處理甘蔗渣,對木素和半纖維素的降解程度均相差不多,但是AmimCl處理后的再生甘蔗渣的纖維素降解程度較嚴重,故EmimAc預處理甘蔗渣效果依然優于AmimCl。2.6ils預處理對原有纖維結構的影響圖6和圖7為原料生物質和再生生物質的掃描電子顯微鏡照片。從圖中可以看到,原生甘蔗渣/桉木有完整的纖維結構,經過酸液/堿液預處理的纖維(D)沒有太大的改變,而經過ILs預處理后(B,C)改變了纖維結構,表面出現空隙,可使酶解更為充分。3amimcl對桉木和甘蔗渣的預處理效果2種ILs對2種生物質