离子液体溶解和降解稻秆纤维素制备还原糖的研究

摘要

有限的化石燃料储备和全球气候的变化使得人们日益关注利用可再生生物原料进行能源生产。稻秆纤维素是地球上最为丰富的天然可降解物质，其水解产物之一为可发酵还原糖，可进一步转化成乙醇等重要能源。但是稻秆具有高度的结晶结构并在分子间和分子内存在大量的氢键，使得水解纤维素仍面临较大的挑战，因而需对稻秆进行预处理以提高其利用率。
　　 本文合成了两种离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯([AMIM]Cl)和1-丁基-3-甲基咪唑氯([BMIM]Cl)，利用红外光谱仪(FT-IR)和氢核磁共振仪(1HNMR)对其进行结构鉴定，并分别在传统和微波加热两种方式对稻秆进行溶解预处理，经过再生和酶解过程后计算所得还原糖产量及转化率，确定了较好的溶解工艺。经传统加热和微波加热条件下[BMIM]Cl处理后所得还原糖转化率分别由未处理的30.9％上升至86.44％和86.95％；[AMIM]Cl处理后所得还原糖转化率分别94.55％和96.21％。
　　 采用FT-IR、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高效液相色谱(HPLC)等对再生稻秆、溶解液、酶解液等进行了表征分析，结果表明：与未处理稻秆相比，再生稻秆的基团结构未发生变化，表明溶剂作用没有使稻秆发生衍生化反应，纤维素仍呈Ⅰ型结晶结构，但结晶程度均下降，无定型区增大；再生稻秆表面的微观形貌失去原有杆状骨架结构，变得空洞破碎并伴有不规则空洞和凹槽。在微波辅助的作用下，再生稻秆的结晶程度降低更多，无定型区域更大，稻秆表面遭到更大程度的破坏。正是稻秆结构变得松散，表面积增大，与酶的可及度增加，因而处理后稻秆酶解所得还原糖产量较高，HPLC测试表明糖液中主要成分为木糖和葡萄糖。本文还初步探讨了[BMIM]Cl及[AMIM]Cl溶解稻秆的作用机理。
　　 对用过的[BMIM]Cl和[AMIM]Cl进行回收及再利用，两者的回收率分别达82.5％和85.82％，且纯度均在90％以上，回收后两种离子液体的化学结构未发生变化，保持了原有的溶解能力，可重复利用。