一种提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法及其应用
阅读说明：本技术 一种提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法及其应用 (Method for improving lignin fractionation and depolymerization of biomass and application thereof ) 是由 董澄宇 吕绍元 杨智淳 谢灏贤 默罕默德·凯鲁·伊斯拉姆 于 2020-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于生物质应用技术领域,公开一种提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法及其应用。该方法是将处理的生物质用预处理溶液在120～173℃蒸煮,以酸作为催化剂,预处理溶液包括有机溶剂和水；有机溶剂为C2-C5及含有两个以上羟基的有机溶剂,得到含有纤维素和木质素的生物质和含有木质素的预处理溶液；然后将该预处理溶液分离,洗涤合并含有木质素的预处理液,再将其与水混合,经沉淀、过滤和干燥处理,制得木质素；将木质素、有机溶剂和解聚催化剂混合,在保护气氛下,在180～250℃进行催化解聚反应,得到木质素单体。该方法提高了木质素的解聚性和单酚化合物的产率,木质素单体具有较多的β-O-4键和较少的缩合酚基。(The invention belongs to the technical field of biomass application, and discloses a method for improving lignin fractionation and depolymerization of biomass and application thereof. The method comprises the steps of cooking a treated biomass at 120-173 ℃ by using a pretreatment solution, wherein the pretreatment solution comprises an organic solvent and water and takes an acid as a catalyst; the organic solvent is C2-C5 and the organic solvent containing more than two hydroxyl groups, so that biomass containing cellulose and lignin and a pretreatment solution containing the lignin are obtained; separating the pretreatment solution, washing and combining the pretreatment solution containing lignin, mixing the pretreatment solution with water, and performing precipitation, filtration and drying treatment to obtain lignin; mixing lignin, an organic solvent and a depolymerization catalyst, and carrying out catalytic depolymerization reaction at 180-250 ℃ in a protective atmosphere to obtain a lignin monomer. The method improves lignin depolymerization property and monophenol compound yield, and lignin monomer has more beta-O-4 bonds and less condensed phenol groups.)
技术领域
本发明属于生物质应用技术领域，更具体地，涉及一种提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法及其应用。
背景技术
木质纤维素生物质作为生产生物燃料和功能化学品的宝贵资源。该维素生物质主要包括纤维素、半纤维素和木质素，其各化学成分在不同植物种类之间存在很大的差异，分布在植物的不同位置。其中，纤维素是通过1，4-糖苷键相互连接的葡萄糖的线性聚合物，该聚合物排列成具有结晶和无定形区域的有序纤维。半纤维素为植物细胞壁中的基质，主要由戊糖(例如木糖和阿拉伯糖)和己糖(例如葡萄糖、甘露糖和半乳糖)组成的支链聚合物。木质素是一种三维芳香族生物聚合物，木质纤维素结构坚固，可以抵抗物理、化学和生物降解，可为植物细胞壁提供物理强度。来自农业和市政活动的生物质料源可以由不同的植物品种(即草药、灌木、硬木和软木)和/或植物的不同部分组成。
糖基生物精炼技术因其在生产生物燃料和生物化学品方面具有很高的经济效益和环境友好的潜力而被广泛採用。在这个过程中，木质纤维素生物质被酶消化成糖，然后通过发酵或化学催化过程将糖转化为所需的产物。与纤维素和半纤维素不同，木质素主要由芳香亚单元组成，近乎不可生物降解，因此不能被用作发酵的碳源。随著近年来“绿色化学”和“环境友好化学”备受社会关注，木质素被重新考虑为一种有价值的化学物质。
利用木质纤维素材料的常见方法是将材料主要成分分离。在分离过程中通常发生降解反应，特别是在涉及木质素和/或半纤维素，从而产生低价值的产品。降解中形成C-C键为再聚合或缩合。由于再聚合通常使降解产物具有高分子量，从而形成固体产物，例如腐殖质和工业木质素。与木质纤维素成分中的原始醚键相比，形成的C-C键更难裂解。降解反应是由于在反应条件下存在不稳定的化合物引起的。这种不稳定的化合物通常带有C＝O或C＝C官能团，如木糖、葡萄糖、糠醛、羟甲基糠醛、松柏油醇、芥子醇、具有C 2-醛取代基的酚类化合物和希伯特酮等。可以通过氢化等方式将C＝O和/或C＝C不稳定的化合物转化为稳定的化合物。
如US20160024712A1和US20090176286A1中公开了一种特定的木质纤维素分级分离方法是使用水溶性有机溶剂(例如乙醇)与水和/或酸组合，在高温 (120～280℃)下从木质纤维素材料中提取木质素和半纤维素。纤维素级分以固体残馀物的形式获得，其可用于商业纸浆应用。半纤维素的主要部分会转化为糖和/或降解产物。而木质素部分经降解反应，溶解的木质素通过沉淀与溶解的半纤维素衍生产物分离。但基于木质素的降解性质，木质素难以被转化为低分子量产物(如单体酚)。
WO2017178513A1公开一种使用水和有机溶剂的混合物分级分离木质纤维素材料的方法，如水和甲醛混合，以稳定可溶性产物并防止降解。所获得的木质素具有化学键合醛的固体高分子量产物，并且可以通过沉淀从液体中回收。还需要将木质素转化为低分子量产物，例如单体酚。基于醛的稳定作用，获得的单酚类产物的产率接近理论最大值，其绝对值在不同植物类型之间有所不同(Shuai, Science,2016,329-333；Lan,AngewandteChemie International Edition,2018, 1356-1360)。在醛溶剂辅助的木质纤维素分级分离过程中，半纤维素转化为糠醛和稳定的糖，后者的结构取决于醛的结构。在使用甲醛的情况下可获得甲酰化的糖，例如二甲酰基木糖(WO2017178513A1)，获得的纤维素会包含化学键合醛的固体产物。WO2015009145A1公开一种生物质进行分级分离以降低加工成本的方法，增加脱木质素率，减少副反应，特别是减少半纤维素降解，以改善纤维素水解和提高所得木质素的天然度为目的。该方法在低于170℃的处理液对木质纤维素生物质进行分级分离。由于高脱木素度(>80％)只在温度为140℃的低沸点溶剂(乙醇/水，v/v＝60/40)中才能实现。但乙醇为低沸点溶剂，这需要高规格反应器来扩大工艺的规模。
除以上方法外，还可以采用在过渡金属催化剂的存在下，在有机溶剂中或在与水混溶的溶剂中处理生物质分离木质纤维素材料。该方法可将木质纤维素分级分离并使可溶木质素催化转化成稳定的化合物。EP2891748A1公开了在镍催化剂下且在不存在氢的情况下，在170～240℃下使用水和仲醇(例如异丙醇)的混合物中对木质纤维素材料进行催化分级分离。由于仲醇用作氢供体，木质素除了被催化转化为低分子量的木质素油外，还可转化为含有半纤维素和纤维素的固体形式(EP2891748A1；Ferrini and Rinaldi，AngewandteChemie International Edition， 2014,8634-8639)。部分溶剂被转化为相应的醛/酮，例如异丙醇被转化为丙酮。木质素油富含多种化合物，包括4-(3-羟基-丙基)-癒创木酚、4-(3-羟基-丙基) -丁香酚、4-正丙基癒创木酚、4-正丙基-丁香酚，以及环己醇。该方法中由于发生可溶性糖的降解，使溶解的半纤维素糖不稳定。(Rinaldi ACS SustainableChem.Eng.2018,6,13408-13419)。
US20170152278A1公开了在160～190℃下使用水和水混溶性醇(例如甲醇和乙醇的混合物)对木质纤维素材料进行催化分级分离。该方法在不存在氢的情况下使用钯基的催化剂转化和稳定提取的木质素。木质素被催化转化为低分子量木质素油，其中含有大量的酚类分子，主要是4-(2-丙烯基)癒创木酚和4-(2- 丙烯基)丁香酚(US20170152278A1，Galkin and Samec，ChemSusChem,2014, 2154-2158)。纤维素以碳水化合物纸浆的形式回收。根据流程的处理强度，部分的半纤维素作为聚合物保留在纸浆中，另一部分的半纤维素被溶解并降解 (Galkin,ChemSusChem,2016,3280-3287；Kumaniaev,Green Chemistry,2017, 5767-5771)，从而用作该过程的氢供体。反应后需要进行溶剂纯化以去除木质素产物油中糖衍生的降解产物，这还需反应溶剂以外的其他溶剂。
Van den Bosch等人公开了在氢气和Ru/C催化剂存在下，在250℃的甲醇中将木质纤维素材料进行催化分级分离(Energy&Environmental Science,2015, 1748-1763)。该方法中木质素被催化转化为低分子量木质素油(<1500g·mol-1)，其中包含大量的酚类单体(相对于初始木质素为50wt％)，主要是4-正丙基愈创木酚和4-正丙醇愈创木酚。然而，在氢解之后，还需要将固体/固体进行分离，即从固体纤维素和半纤维素残基(多醣级分)中分离固体非均相金属催化剂。由于催化剂回收和失活问题及其与前沿生物精炼策略的不相容性，这种分离在工业规模上不切实际。此外，苛刻的氢解条件通常导致半纤维素和纤维素的损失或它们转化为糖醇。
木质纤维素材料的另一种催化分级分离过程是所谓的水解氢化。Liu等人 (ACSSustainable Chemistry&Engineering,2017,5940-5950)公开了加压氢气下在磷酸锆(ZrP)和Ru/C存在下在200℃纯水中将木质纤维素材料水解加氢的方法。纤维素和半纤维素均被溶解并催化转化为多元醇，例如山梨糖醇和木糖醇，在糖基生物精炼中可导致多醣的损失。木质素经过降解反应，并以水不溶性固体形式回收。
Li等人(Energy&Environmental Science,2012,6383-6390)公开了一锅催化加氢裂化木质纤维素材料。木质素纤维素原料在碳化钨(W2C)催化剂和加压氢气中在245℃的水中进行处理。此方法中生物质都被溶解，与前述的“催化分级分离”的纤维素以固体形式回收相反。在一锅催化加氢裂化中，纤维素和半纤维素馏分都被催化转化为多元醇，包括乙二醇，1,2-丙二醇和1,2-丁二醇。木质素被催化转化为低分子量产物混合物，富含单酚类化合物，例如4-(3-羟基-丙基)- 愈创木酚、4-(3-羟基-丙基)-丁香酚、4-正丙基愈创木酚、4-正丙基丁香酚。这需要对产物进行后处理，例如通过液-液萃取将酚类化合物与多元醇分离，可导致在糖基生物精炼中多醣的损失。
W2020002361A1公开了使用醇溶剂和水(例如正丁醇/水)的混合物在 160～200℃，10～30bar条件下，对酚类、多元醇和纤维素进行催化木质纤维素生物精炼。纤维素保留在固体残馀物中，其在过滤时作为浆回收。该过程可以在双相系统中分馏出糖和木质素单体。木质素被催化转化为低分子量的产物混合物，并富含对4-(3-羟丙基)-愈创木酚和4-(3-羟丙基)-丁香酚等具有高选择性的单酚类化合物。实际上分离纤维素和木质素并不需要消耗很高的能源，但该过程需要输入较高能量，并且大部分能量被浪费在纤维素分解上。因此，一锅式生物精炼厂的能源效益低。
综上所述，如果先提取木质素后再进行氢解或催化解聚可避免以上许多问题，也能通过低能耗去分别处理生物质的多醣和木质素部分以及在流动条件下用非均相催化剂连续处理溶解的木质素。生物精炼分馏或预处理工艺会使用水和有机溶剂(如醇，四氢呋喃或γ-戊内酯，离子液体)作预处理，过程中会使用高温和/或廉价的无机酸(如H2SO4和HCl)为催化剂，这有助于从纤维素和半纤维素中去除木质素。目前大量的木质素都来源于使用这些技术的过程。然而，酸和 /或高温都可能导致木质素在其提取过程中发生不可逆的缩合反应，这极大地影响了其进一步的提取。具体而言，木质素醚键在提取过程中发生断裂，并随后形成高度稳定的C-C键。这机理被认为涉及在木质素的α位形成高反应性碳正离子，并与木质素芳环上的甲氧基基团的带负电的位置反应。
尽管日益增加的环境压力促使从石化炼油生产转向生物炼油生产，但是以经济和可持续的方式从生物质生产生物燃料和有用产品涉及许多挑战。生物精炼工艺在很大程度上仍然是概念性的，现实生活中的商业开发受到限制。已知生物精炼过程需要针对不同生物质种类优化预处理条件，这意味着单个处理系统无法有效地执行一系列生物质材料(例如，硬木，软木，稻草，麦草，蔗渣)或混合生物质(例如，不同木材种类的混合物，软木和硬木的混合物)的生物精炼过程。因此，迫切需要提高生物精炼工艺处理木质纤维素材料，如(i)分级分离富含纤维素的固体材料和富含木质素的产物流体；(ii)生物精炼工艺使用低毒性溶剂，低能耗(例如使用中度温度)和低成本(和低规格反应器)；(iii)提取的木质素能生产单酚化合物，二酚化合物和小的低聚酚化合物；另外，容易的产物分离和可控的产物选择性也是理想的特征。更重要的是，单酚化合物对4-(3- 羟基-丙基)-愈创木酚和4-(3-羟基-丙基)-丁香酚具有高选择性。对4-(3-羟基-丙基)-愈创木酚和4-(3-羟基-丙基)-丁香酚的高选择性在此定义为所获得的单体产物高于80wt％。因此，亟需改善生物精炼木质素的工艺。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法。
本发明的另一目的在于提供上述提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法制得的木质素单体，即紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇。
本发明的再一目的在于提供上述木质素单体的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法，包括如下具体步骤：
S1.通过切碎，削片，剥皮，研磨或研磨将含有木质纤维素的生物质处理为小尺寸，然后洗涤，制得生物质；
S2.将步骤S1所得生物质用预处理溶液在120～173℃蒸煮，以酸作为催化剂，得到含有纤维素和木质素的生物质和含有木质素的预处理溶液；所述预处理溶液为有机溶剂和水；所述有机溶剂为C2-C5及含有两个以上羟基的有机溶剂、含有醚键或含有酮基的有机溶液中的一种以上；
S3.将含有纤维素和木质素的生物质和含有木质素的预处理溶液分离，用 60～80℃相同浓度的预处理溶液洗涤含有纤维素和木质素的生物质，合并含有木质素的预处理液，然后将合并后的含有木质素的预处理液与水混合，经沉淀、过滤和干燥处理，制得木质素；
S4.将所得木质素、有机溶剂和解聚催化剂混合后，在保护气氛下，升温至180～250℃并搅拌进行催化解聚反应，冷却至室温，得到木质素单体，即紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇。
优选地，步骤S1中含有木质纤维素的生物质为木屑、树皮、植物凋落物、稻草、秸秆、稻壳、亚麻屑、麦秸、果壳、麦壳、蔗渣、硬木、软木中的一种以上。
优选地，步骤S2中所述酸为有机酸或/和无机酸，所述酸的浓度为 1～200mmol/L。所述酸为预处理液的质量浓度为0.01～2wt.％；所述有机溶剂和水的质量比为(13～17)：(3～7)。
优选地，所述C2-C5及含有两个以上羟基的有机溶剂为二元醇或三元醇；所述含有醚键的有机溶液为二乙二醇醚，所述含有酮基的有机溶液为二羟丙酮；所述有机酸为甲酸、乙酸、草酸、马来酸、苯甲酸或甲磺酸中的一种以上；所述无机酸为盐酸、硫酸或磷酸中的一种以上。
更为优选地，所述二元醇为乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、 1,4-丁二醇、1,2-丁二醇、1,5-戊二醇、1,4-戊二醇、1,3-戊二醇或1,2-戊二醇中的一种以上；所述三元醇为丙三醇、1,3,5-戊三醇、2,3,4-戊三醇、1,2,5-戊三醇、1,2,4- 戊三醇、2,3,4-戊三醇。
优选地，步骤S2所述生物质的质量和预处理溶液的体积比为1000g：(0.1～50) L。
优选地，步骤S3所述含有木质素的预处理液和水的体积比为1：(3～10)。
优选地，步骤S4所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮中的一种以上；所述解聚催化剂为Ru/C、Ni/C、Ni/Al2O3、Ni/SiO2-Al2O3、Ru/Al2O3、Ru/SiO2、Ru/ZrO2或Ru/SiO2-Al2O3中的一种以上；所述保护气氛为氮气或氩气；所述木质素的质量、有机溶剂的体积和解聚催化剂的质量比为(0.02～0.2)g：20mL：1g；所述催化解聚反应的时间为2～10h。
所述解聚催化剂还可选自过渡金属钯，铂，铑，钼，钨等。而催化剂的载体可以为SiO2，Al2O3，ZrO2或活性碳，催化剂可以在使用前进行预活化，例如通过使用还原剂除去氧气或氧化物。
一种木质素单体，所述木质素单体为紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇，是由所述的提高生物质的木质素分级分离和解聚的方法制得。
所述的木质素单体在化工或医药领域中的应用。
本发明在低温低压的条件下高效产生木质素单体的方法，采用预处理溶液和酸催化的处理方法能够在100～165℃下从大量不同的含木质纤维素的生物质中有效溶解大量的木质素，用于处理含木质纤维素的多种来源生物质，包括不同物种的生物质废物混合，使其成为高度可取的生物质精炼工艺，可适用于同时处理各种生物质底物的废物管理，显著增加了应用性，尤其对于处理木质生物质特别有用，该生物质通常由具有不同数量和类型的木质素的混合植物物种组成。该方法可以成本有效的方式将院子和木本废物转化为液体燃料。满足了本领域对生物精炼工艺的需求，可以经济的方式和商业规模使用。
常规的生物质处理方法通常针对的是特定生物质，需要复杂的优化过程来处理不同的生物质类型，例如来自不同树种的木材。而本发明针对的是非特定生物质，采用预处理液多羟基溶剂与酸的组合能够有效地溶解各种类型生物质的木质素，从而有效地处理复杂的原料，可以适用于任何类型的生物质。如木质纤维素生物质包括林业残馀物，农业残馀物，庭院废物，动物和人类废物(例如，可生物降解的城市废物)。还可以是草本生物质，如草，稻草，麦秸，果壳(稻壳，麦壳)，蔗渣，硬木，软木和/或这些原料的组合。在预处理步骤之前，可以洗涤未处理的生物质和/或减小其尺寸。例如，通过切碎，削片，剥皮，研磨或研磨将其处理。
在一个示例性实施方案中，在至少一种酸存在下，在预处理反应器(例如，由钢，玻璃或塑料制成的容器)中，用至少一种多羟基溶剂对木质纤维素生物质进行处理，以分离生物质和木质素而成为富含纤维素的产品流体和富含木质素的产品流体(液体)。多羟基溶剂预处理能在100～165℃的温度下有利地进行，优选为120～150℃，在一个实施方案中，多羟基溶剂预处理温度为100～120℃和在大气压力下进行(反应器内部的压力不高于外部环境的压力)。发现低温有机溶剂能在100～165℃高效地分级分离木质素和纤维素。而通常木质素的缩合程度随温度的升高而增加，越难以分离。多羟基溶剂预处理以实现分级分离的持续时间可以在很广的时间范围进行。通常多羟基溶剂预处理步骤的持续时间为30～250min，优选为40～150min，更优选为60～120min。
本发明的预处理液中的有机溶剂为C2-C5及含有最少两个或以上羟基官能团，并任选含有醚键或酮基中的一种或多种，优选有机溶剂选自二元醇，三元醇，多元醇。二元醇优选为乙二醇，1,2-丙二醇，1,3-丙二醇，1,3-丁二醇，1,4-丁二醇，更优选为1,4-丁二醇；三元醇优选为丙三醇、1,3,5-戊三醇、2,3,4-戊三醇、 1,2,5-戊三醇、1,2,4-戊三醇、2,3,4-戊三醇。
在一个优选的实施方案中，预处理溶液中包括酸催化剂。通常，在预处理期间使用二元醇时需要酸调节pH＝0.5～7，优选为pH＝1.5～3。预处理溶液中酸的浓度为1～200mmol/L，优选为15～100mmol/L。高于上限的预处理溶液中的酸量 200mmol/L可能导致更多的副反应，从而增加杂质的形成。而低于下限的酸 1mmol/L减少了该方法实现的分级分离和脱木质素的程度。在预处理步骤中可以使用酸催化剂包括有机酸或无机酸。优选的酸的pKa值为4.5，更优选为3以下，最优选为1以下。其中，有机酸为甲酸、乙酸、草酸、马来酸、苯甲酸、磷酸或甲磺酸(如三氟甲磺酸盐铝，三氟甲磺酸盐铝铜，三氟甲磺酸盐镧，三氟甲磺酸盐镍)，无机酸为盐酸、硫酸、路易斯酸三氯化铁以及它们的组合，最优选采用硫酸作为酸催化剂。
在其中一个实施方案中，1千克干生物质与0.1～50L预处理溶液混合，预处理溶液的体积优选为1.0～10L，并获得生物质、预处理溶液和酸催化剂的悬浮液。预处理液与生物质的最佳用量比取决于生物质的类型，出于经济原因，二元醇预处理生物质的液固重量比(L/S)尽可能低，优选L/S≤7/1。当生物质的网络结构被二元醇破坏时，预处理溶液中水的存在发生水解反应。这是由于水解发生在连结木质素和半纤维素之间的共价键上。优选地，预处理溶液包含1～10wt％的水。通过本领域技术人员已知的任何分离方法，将预处理后的木质纤维素生物质分离为富含纤维素的产物流和富含木质素的产物流体(液体)，但不限于压制，过滤，沉降或离心。木质纤维素生物质的多羟基溶剂与酸预处理导致富含纤维素的提取物中含有较少的杂质，而富含木质素的液体中含有较高含量的木质素。
本发明不使用严格的预处理条件(更少的木质素降解和缩合)具有比现有方法更高的产量和效率。本发明生物精炼系统允许在单个反应器中进行生物质处理的各个步骤(预处理，水解和发酵)，从而减少了操作单元的数量，甚至不需要单独的单元。常规的生物质处理方法通常需要使用由承受高温和高压的材料制成的压力容器，例如碳钢或不锈钢或类似合金。由于乙醇在120～170℃下具有较高的蒸气压，因此需要高规格的压力容器(通常由具有加厚壁的不锈钢制成)来进行乙醇预处理和Kishimoto制浆过程。另一个例子是生物质的酸/碱处理，该处理在170℃和高压下进行(>600kPa)。由于苛刻的生物质处理条件，与常规预处理方法中使用的水和乙醇相比，本发明中二元醇通常具有较高的沸点(如1,4-BDO的沸点为230℃)和较低的蒸气压。图1为现有技术常规预处理溶剂在不同温度下的蒸气压。从图1中可知，在120℃下1,4-BDO的蒸气压约为8KPa(与之相比，水约为20KPa，乙醇约为30KPa)，因此，可以使用低规格反应器进行二元醇/酸预处理，如在简单的实验室环境中使用血清瓶、塑料、玻璃或不锈钢制成的反应器中进行。也可以在商业发酵罐(例如，具有5mm316SS)中进行。罐体仅具有1～5mm的厚度，优选3～5mm的厚度，更优选3～4mm的厚度也可用于当前公开的预处理步骤。由此可知，在生物精炼厂中批量反应器模式变得可行，从而可以对生物质进行批量处理。可以将第一代生物精炼厂(使用食品或淀粉状原料生产生物燃料)轻易升级为第二代生物精炼厂(使用农林残留物为原料)，而无需将蒸煮单元转换为高压容器(>300kPa)。因此，使用二元醇/酸预处理减少了生物质处理系统中操作部件的数量，从而降低了总成本。
本发明还采用预萃取和富含纤维素的产物流体(纸浆)的酶促水解。通过一种能够水解纤维素的酶或多种酶的组合将纤维素酶解为葡萄糖来完成酶解，这些酶称为水解酶，优选为纤维素酶。纤维素的水解也称为纤维素水解。该方法可以使用任何纤维素酶来进行酶促水解。合适的纤维素酶是内切纤维素酶(在内部位置切割纤维素)，外切纤维素酶(在更多外部位置切割纤维素以产生纤维二糖或纤维素四糖)，β-葡萄糖苷酶(纤维二糖酶，将外切纤维素酶产物切割成葡萄糖单元)。次优选的其他纤维素酶，如氧化纤维素酶和纤维素磷酸化酶，优选使用纤维素酶的组合，特别是内切纤维素酶，外切纤维素酶和β-葡糖苷酶的组合。在实施例中，尽管绝大部份半纤维素已经完全溶解在预处理液中，多羟基溶剂预处理之后残留的半纤维素可以使用半纤维素酶(如木聚醣酶，阿拉伯聚醣酶，甘露聚醣酶等)以分解。在本发明的一个示例性实施方案中，二元醇和酸预处理产生的富含纤维素的产物流体在糖化和发酵过程中，进行酶水解的葡萄糖的转化率＞90％。而在酶促水解之前可选择将富含纤维素的产物流体进行盘磨或研磨(另加水和pH作调节)。盘式研磨或磨碎生产较短的纤维素纤维，这有利于糖化和发酵过程。在糖化和发酵过程之前，可选择添加水以调节pH至2～7，优选4～6，更优选在4.8的pH。
当在复杂的预处理条件下(如高酸性或高温)常规预处理方法处理生物质时，会产生大量的木质素沉淀和缩合物。木质素沉淀和缩合物中含有大部分纤维素，无法从生物质中提取出来，使其无法进行酶解并降低葡萄糖转化率。二元醇和酸预处理方法克服了不能有效溶解木质素的问题，从而保持液体中溶解的木质素的稳定性和可解聚性。
二元醇和酸预处理方法提高了从木质纤维素生物质中提取木质素的总产量。常规方法的木质素提取率约为80％，而二元醇和酸预处理可以有效地溶解木质素，木质素的提取率可达90％以上，且具有高解聚性。因此，通过在适当的温度下使用二元醇和酸预处理，可以获得更高质量和更高木质素提取率。此外，所获得的木质素具有更多的β-O-4键和更少的缩合酚基，这提高了木质素的解聚性和单酚化合物的产率。由于提取的木质素具有新的羟基，显著增加了溶解的木质素的溶解度和解聚性，从而提高了木质素单酚化合物的产率，有助于生物医学和化学领域中制备有价值的产品。
采用生产酚类化合物的方法证明本发明提取的木质素有高解聚性和单酚化合物的高产率，该方法包括将木质素原料与a)水和醇混合，b)包含钌的催化剂，以及c)氮气并使它们经受至少250℃的温度。上述方法在室温下外部供应处于10bar或更高分压的氮气，或者在室温下外部供应的氮气处于10～30bar的分压。包括使以下原料经受至少250℃的温度A)原料介质包含钌的催化剂，水和醇，氮气及以170℃乙醇预处理提取的木质素，以及B)包含钌的催化剂，水和醇，氮气及以120℃乙醇预处理提取的木质素，C)包含钌的催化剂，水和醇，氮气及以170℃二元醇预处理提取的木质素，氮气以及D)包含钌的催化剂，水和醇，氮气及以120℃二元醇预处理提取的木质素。其中更多在所述混合物酚化合物中，少于80wt％的单酚化合物(紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇)其结构式如下所示：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明将木质纤维素生物质分级分离为富含纤维素的产物流体(纸浆) 和富含木质素的产物流体(液)的方法，该方法包括将任选的生物质采用多羟基溶剂进行有机溶剂处理。单醇溶剂如乙醇对生物质的结构成分具有更高的反应性，由于多羟基溶剂能减少副反应，因此不发生副反应。
2.本发明的方法提供了纯度较高的产物流体，鉴于有效的生物质价值最大化，这是合乎经济需要的，而且还使得随后的纤维素纸浆酶解更高效。
3.本发明的方法使用完整的固态木质纤维素原料井不受物种限制，可选择性地提取木质素和纤维素(分离率达90％以上)，同时保持纤维素为固体。
4.本发明的方法从木质纤维素材料中可制得木质素流体和纤维素流体，纤维素的水解率能达90％以上，有利精炼下流糖基生物。
5.本发明可以控制单酚化合物的选择性，在催化解聚产物中愈创木酚和紫丁香酚化合物含量可达90％以上。
6.本发明的生物精炼方法中的预处理反应可在较低温度(120℃) 进行，使用高沸点有机溶剂可降低能耗(例如使用中度温度)，方法简单且成本低。
7.本发明所得的木质素具有更多的β-O-4键和更少的缩合酚基，提高了木质素的解聚性和单酚化合物的产率。由于提取的木质素具有新的羟基，显著增加了溶解的木质素的溶解度和解聚性，从而提高了木质素单酚化合物的产率，有助于生物医学和化学领域中制备有价值的产品。
附图说明
图1为现有技术中不同有机溶剂在不同温度下的压力。
图2为实施例1-10和对比例中1-8不同预处理条件下底物的纤维素和木质素含量。
图3为实施例1-10和对比例中1-8中不同预处理条件提取的木质素的二维异核单量子关联谱。
图4为实施例1-10和对比例中1-8中不同预处理条件提取的木质素的官能团含量。
图5为实施例1-10和对比例中1-8中不同预处理后的纤维素的酶促水解效率。
图6为实施例10和11和对比例中6和9中不同预处理条件提取的木质素在Ru/C催化剂下催化解聚后的化合物含量。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。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。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明实施例中所使用桉木片由广东省雷州林业局提供。预处理溶剂和其他化学品购自J&K Acros Organics。商业纤维素酶Cellic Ctec2由Novozymes InvestmentCo.Ltd.提供，Pronase由美国Sigma Chemical Company提供。
实施例1-5
1.桉木粉的预处理：将桉木片制成桉木粉，将桉木粉加入到预处理液(二元醇和水的混合溶液)中，以硫酸作为催化剂，采用旋转式蒸煮器(咸阳通达轻工设备有限公司)对桉木粉进行预处理。其中，所述二元醇为乙二醇(EG)，1,2- 丙二醇(1,2-PG)，1,3-丙二醇(1,3-PG)，1,3-丁二醇(1,3-BDO)，1,4-丁二醇(1,4-BDO)。
将50g桉木粉与20mmol/L的硫酸和预处理溶液(二元醇和水的体积比为 65％：35％)，以液(硫酸和二元醇)固质量比为7：1混合。蒸煮器以3℃/min的速率加热至167～173℃预处理，并在该温度下保持60min，实施例1-5的具体实验条件如表1所示。
表1实施例1-5中酸浓度、预处理溶液中的二元醇以及溶剂比
2.用尼龙布将预处理后的底物(固态生物质，包含纤维素和少量木质素) 和含有大量木质素的预处理液分离。将固态生物质用相同浓度的温热(60℃)预处理液(二元醇和水的混合溶液)洗涤3次(每次75mL)。然后将合并后的含有木质素的预处理液与水的体积比为1：3混合，经沉淀、过滤和干燥处理，得到木质素。
实施例6-10
1.桉木粉的预处理：将桉木粉加入到预处理溶液(二元醇和水的混合溶液) 中，以硫酸作为催化剂，采用旋转式蒸煮器(咸阳通达轻工设备有限公司)对桉木粉进行预处理。其中，所述二元醇为乙二醇(EG)，1,2-丙二醇(1,2-PG)， 1,3-丙二醇(1,3-PG)，1,3-丁二醇(1,3-BDO)，1,4-丁二醇(1,4-BDO)。
将50g桉木粉与25mmol/L的硫酸和预处理溶液(二元醇和水的体积比为 85％：15％)，以液(硫酸和二元醇)固质量比为7：1混合。蒸煮器以3℃/min的速率加热至167～173℃预处理，并在该温度下保持60min，实施例6-10的具体实验条件如表2所示。
表2实施例6-10中酸浓度、预处理溶液中二元醇及其溶剂比
2.用尼龙布分离将预处理后的底物(固态生物质，包含纤维素和少量木质素)和含有大量木质素的预处理液。将固态生物质用相同浓度的温热(60℃)预处理液(二元醇和水的混合溶液)洗涤3次(每次75mL)。然后将合并后的含有木质素的预处理液与水的体积比为1：3混合，经沉淀、过滤和干燥处理，得到木质素。
实施例11
与实施例10不同的在于：所述的酸浓度为150mmol/L，所述预处理的温度为120℃，预处理的时间为240min。
对比例1-4
将桉木粉加入到预处理溶液(一元醇和水的混合溶液)中，以硫酸作为催化剂，采用旋转式蒸煮器(咸阳通达轻工设备有限公司)对桉木粉进行预处理。其中，一元醇为甲醇(MeOH)，乙醇(EtOH)，2-丙醇(2-ProOH)，2-丁醇(2-BuOH))。
将50g桉木粉与20mmol/L的硫酸和预处理溶液(一元醇和水的体积比为 65％：35％)，以液(硫酸和一元醇)固质量比为7：1混合。蒸煮器以3℃/min的速率加热至167～173℃，并在该温度下保持60min，对比例1-4的具体实验条件如表3所示。
表3对比例1-4中酸浓度预处理溶液中一元醇以及溶剂比
对比例5-8
将桉木粉加入到预处理溶液(一元醇和水的混合溶液)中，以硫酸作为催化剂，采用旋转式蒸煮器(咸阳通达轻工设备有限公司)对桉木粉进行预处理。其中，一元醇为甲醇(MeOH)，乙醇(EtOH)，2-丙醇(2-ProOH)，2-丁醇(2-BuOH))。
将50g桉木粉与25mmol/L的硫酸和预处理溶液(一元醇和水的体积比为 85％：15％)，以液(硫酸和一元醇)固质量比为7：1混合。蒸煮器以3℃/min的速率加热至167～173℃，并在该温度下保持60min，对比例5-8的具体实验条件如表4所示。
表4对比例5-8中酸浓度、预处理溶液中一元醇以及溶剂比
对比例9
与实施例6不同的在于：所述的酸浓度为150mmol/L，所述预处理的温度为 120℃，预处理的时间为240min。
测试例1桉木的化学成分分析
根据国家可再生能源实验室(NERL)的标准程序对预处理后桉木的化学成分进行分析。通过配备有CHO-782Transgenomic色谱柱的高效液相色谱(HPLC， Shimadzu)对水解的单体糖单元进行定量，并通过重量分析法计算酸不溶性木质素含量。
图2为实施例1-10和对比例中1-8中不同预处理条件下底物的纤维素和木质素含量。由图2可知，在两种预处理条件下木质素的溶解水平，对比例1-4为经20mM酸和在预处理溶液中占比为65％一元醇预处理，实施例1-5为经25mM 酸和在预处理溶液中占比为85％二元醇预处理，而原始桉木的成分(42％纤维素， 21％半纤维素和25％木质素)。如图2所示，在用甲醇、乙醇、2-丙醇和2-丁醇处理的桉木(即对比例1-8)中，由于冷凝效应，在预处理的底物中存在大量的木质素残基。而半纤维素在预处理的过程中都已被完全清除。底物中残存大量的木质素会影响下游工艺中的生物乙醇的生产率。在经二元醇处理的桉木(实施例1-10)，底物中的木质素残留量明显减少，木质素的提取率显著提高。如图2所示，底物中木质素含量从25％降至4.3～6％。结果表明，在20mmol/L酸和 25mmol/L酸的情况下，木质素在二元醇中分离/溶解的量比一元醇(甲醇，乙醇， 2-丙醇和2-丁醇)更多。当提高预处理条件中酸的和一元醇/二元醇的浓度时，木质素在二醇中分离/溶解的量会显著增加。2-丙醇和2-丁醇(25mM酸，85％) 预处理后的残留木质素含量比使用甲醇(25mM酸，85％)作预处理溶液时增加20％。而经二元醇(如乙二醇，1,2-丙二醇，1,3-丙二醇，1,3-丁二醇，1,4-丁二醇)预处理后残留的木质素含量在6％以下，而木质素的提取率达到90％以上。即使木质素在预处理后改变了其化学性质，但仍可溶于二元醇中。表5为实施例 1-10和对比例1-8中桉木中木质素含量和提取率。由表5可知，一元醇预处理后的木质素提取率比二元醇低，更易受酸的浓度影响。
表5实施例1-10和对比例1-8中桉木中木质素含量和提取率
测试例2其他生物质的化学成分分析
根据国家可再生能源实验室(NERL)的标准程序，对预处理前后的各种底物成分进行分析。测试中的底物用(i)在预处理溶液中占比为85％的乙醇或(ii) 在预处理溶液中占比为85％的1,4-丁二醇进行预处理。在两个预处理中用25 mmol/L H2SO4在170℃处理60min。在表6中指出，所有测试的底材(包括松木，稻壳和混合木材(松木(软木)和桉木(硬木)组合))中，使用1,4-丁二醇预处理可实现在1h内使木材中木质素提取率超过85％。
尽管使用低于170℃的实验条件，通过本方法实现的木质素的提取率(木质素的产率)仍高于用使用乙醇等现有的其他预处理技术的木质素的提取率(表5 中本发明的方法木质素的提取率高于乙醇预处理的木质素的提取率)。由表5和表6可知，1,4-丁二醇预处理的木质素提取率为87～94％，乙醇预处理的木质素提取率70～84％，1,4-丁二醇比乙醇预处理的木质素提取率更高，而预处理中酸的浓度对1,4-丁二醇预处理方法的影响较乙醇低，这是由于二元醇预处理可避免产生副反应。结果说明，二元醇预处理不用根据不同的木质纤维素生物质作出繁琐的优化过程或底物选择/纯化，可非生物质种类指定并同时处理多种不同的木质纤维素生物质。而乙醇预处理在不同的预处理强度下会有很明显的差异。
表6不同底物中的木质素含量及其经预处理后的木质素提取率
表7为不同底物的木质素含量及其经预处理后的木质提取率。比较了松木和桉树在(i)在预处理溶液中占比为85％乙醇或(ii)在预处理溶液中占比为85％ 1,4-丁二醇在进行预处理前后的木质素含量。(i)和(ii)都混合了150mmol/L H2SO4，并在120℃预处理240min。通过对原始基材进行预处理，可以在4h内在120℃以下的温度从软木中使木质素的清除率>70％，从硬木中去除木质素的清除率>80％。这种相对较低温度的预处理步骤，可选用低配置的反应器生产能量和化学物质，从而降低本领域已知的生物精炼所面临的成本效益的挑战。
表7不同底物的木质素含量及其经预处理后的木质提取率
测试例3一元醇/二元醇提取的木质素的物理化学性质
采用核磁共振(NMR)分析获取二维异核单量子关联谱(2D HSQC)，以比较乙醇和1,4-丁二醇预处理后木质素样品的分子尺度结构。预处理后的木质素 (标记为EtOH-S和1,4-BDO-S)按照Meng等人(Meng,X.et al,ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2017.5(9)：p 8004-8010)的方法制备和纯化。二维异核单量子关联谱使用配备了5mm ROYAL探头的JEOL ECZR 500MHz光谱仪。经乙醇和1,4-丁二醇预处理后的木质素的代表性2D HSQCNMR光谱如图3 所示。图3为实施例10和对比例6中不同预处理条件提取的木质素的二维异核单量子关联谱。其中，图3(a)和(a')为对比例6提取的木质素的二维异核单量子关联谱，图3(b)和(b')为实施例10提取的木质素的二维异核单量子关联谱。其中，G系列为Guaiacyl，B系列为β-β。由图3可知，在2D HSQC NMR 光谱的脂肪族区域中，β-O-4，β-5和β-β是木质素样品中的主要单元连接键(图3 中a')。而经1,4-丁二醇和酸预处理后的残留木质素和可溶性木质素的2D HSQC 光谱中发现了独特的信号(对应的标记为G5)，这表示在β-O-4键的α位上出现 1,4-丁二醇相关的官能团。研究表明为了定量木质素样品中的羟基，每个样品都用2-氯-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂磷杂环戊烷(TMDP)在吡啶/氘代氯仿(v/ v＝1.6/1.0)作磷酸化处理。定量的31PNMR光谱是在JEOL ECZR 500MHz光谱仪上使用反向门控解耦脉动序列，90°脉动，25s脉动延迟和32次扫描所获得。文献中所有化学位移均相对于145ppm的内标样。羟基的定量计算是基于内标物的羟基量，而31PNMR分析的结果如图4所示，图4为实施例1-10和对比例1-8 中不同预处理条件提取的木质素的官能团含量。其中，a为实施例1-5和对比例 1-4；b为实施例6-10和对比例5-8。从图4中可知，经二元醇和酸预处理后的桉木中木质素的酚式羟基的量比经甲醇或乙醇预处理后木质素的酚式羟基的量(优选的结构完整性的指数)约高20％。而且经二元醇预处理后含有相对较高量的脂肪族OH基团，说明β-O-4的α位置已经转化成醚键(即醚键与二元醇相关的官能团)。木质素样品的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)如前所述通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定。(O.Ringena etal.Journal of Chromatography A,2006,1102, 154-163)在配备PLgel MIXED-B色谱柱的安捷伦HPLC上，通过大小排阻分离法在二甲亚砜/水和二甲基乙酰胺中的分离。表8为实施例1-10和对比例1-8中可溶性木质素的分子量和多分散指数。其显示了通过GPC测定的实施例1-10和对比例1-8中木质素样品的分子量。二元醇预处理后的桉木中的木质素的Mw和 Mn均大于一元醇预处理后的木质素的Mw和Mn，这意味着二元醇预处理提取的木质素的分子量比一元醇更高。
表8实施例1-10和对比例1-8中可溶性木质素的分子量和多分散指数
测试例4酶促水解
在乙酸缓冲液(50mmol/L，pH＝4.8)中以2％(w/v)固体负载进行酶水解，在500mL锥形瓶中的酶负载为7.5FPU/g葡聚醣。在旋转震荡器中将混合物置于50℃和150rpm下温育72h。分别在3、6、9、24、48、72h收集1ml的上清液进行糖成分分析。图5为实施例1-10和对比例中1-8中不同预处理后的纤维素的酶促水解效率。由图5可知，在酸浓度为20mM的预处理条件下，由于除去了桉木中的木质素和半纤维素，使用65％甲醇或乙醇预处理桉木中的纤维素含量增至90％以上，而当酸浓度提高至25mM时，使用85％甲醇或乙醇预处理后桉木中的纤维素含量降低至80％以下。当将预处理条件改为25mM及85％2-丙醇或2-丁醇预处理时，桉木中的纤维素含量却下降至40％以下。但在用二元醇进行的预处理中并未观察到该现象。结果发现，在两种预处理强度下纤维素的转化率都超过90％，表明与用其他已知的有机溶剂预处理的提取物相比，用二元醇预处理提取的富含纤维素显示出高的酶消化率，与预处理条件无关。因此，二元醇预处理方法具有很高的适应性，并且可以在最小优化的情况下使用。为了提高本发明的单体产率，可以通入反应气体(如氢气)，使单体的产率进一步提高。
测试例5二元醇预处理木质素的催化解聚性
将所得木质素、有机溶剂和解聚催化剂混合后，在保护气氛下，升温至 180～250℃并搅拌进行催化解聚反应，冷却至室温，得到木质素单体，即紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇。具体地，将0.2g实施例1-10所得木质素、20mL乙醇和10mg Ru/C催化剂(5wt％)加入到50mL的Parr反应器中(5512台式反应器，T316不锈钢，Parr Instruments,IL)。用氮气置换反应器中的空气3～5次，然后充入氮气，氮气的分压为10bar。在30min升温至250℃同时以250rpm速率搅拌反应5h。催化解聚反应完成后，用外部压缩空气流将反应器冷却至室温，所得含有木质素单体的液体样品由气相色谱作定量分析。
直接取样1mL所得溶液对上述反应所得木质素单体进行分析，并添加 100μL的内标物(8mg癸烷溶解在5mL 1,4-二噁烷中)。用配备HP5柱(30m×0.32 mm)和火焰离子化检测器(FID)的Agilent 7890B GC分析溶液(约1.1mL)。温度程序从40℃开始，保持3min，然后以30℃/min升温至100℃；再以40℃/min 升温至300℃，保持5min。使用配备HP5-MS毛细管柱的Agilent 7890B系列的 GC和Agilent 5977A系列的质谱检测器的GC-MS，在相同的操作条件下检测 GC-FID色谱图中的木质素单体峰。
经乙醇或1,4-丁二醇预处理后的木质素样品的催化解聚反应产生了两种主要的酚类产物，即紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇。图6为实施例10和11和对比例6和9中不同预处理条件提取的木质素在Ru/C催化剂下催化解聚后的化合物含量。由图6可知，在所有情况下，紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇的选择性均超过91％。结果表明，与形成芳族和环己基化合物混合物的其他多种金属催化剂相比，Ru/C催化剂对有机溶剂木质素大分子解聚的选择性高。与乙醇预处理的木质素相比，1,4-丁二醇预处理的木质素解聚后的紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇产率显著提高。在120℃(对比例9)经乙醇预处理的木质素解聚的紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇的产率为6％，在120℃(实施例11)经1,4-丁二醇预处理的木质素在解聚后紫丁香基丙烷和紫丁香基丙醇的最高产率为14％。结果证明，本发明的1,4-丁二醇预处理方法显著提高了木质素的解聚产率，说明在120℃的预处理温度下，更能提高产率。这是由于在1,4-丁二醇预处理过程中，1,4-丁二醇中的烷氧基可与反应性Cα苄基碳正离子进行亲核加成反应，从而最大程度地减少了醚键的裂解。而1,4-丁二醇接合在木质素的α位上未反应的烷氧基(即1,4-丁二醇中的羟基)会增加木质素上脂肪族OH的量。相对地，经乙醇预处理后木质素上的OH减少。由于木质素上的脂肪族羟基与木质素的溶解度呈正相关。因此，用1,4-丁二醇预处理可增加木质素的溶解度，而不会明显破坏醚键(β-O-4)。二元醇预处理过程中阻止了β-O-4醚键的裂解，从而提高了木质素单体的产量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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