[發(fā)明專利]一種水解木質(zhì)纖維素制備木糖和阿拉伯糖的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910080210.5
• 申請(qǐng)日: 2009-03-13
• 公開（公告）號(hào): CN101525355A
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李十中;劉學(xué)軍;李天成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): C07H3/02
• 分類號(hào): C07H3/02;C07H1/00
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 朱 琨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水解木質(zhì)纖維素制備木糖和阿拉伯糖的方法，屬于生物工 程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)主要包括農(nóng)業(yè)生物質(zhì)和林業(yè)生物質(zhì)，如農(nóng)作物秸 稈、玉米芯、蔗渣、果核和木屑等，它們主要由半纖維素、纖維素、木質(zhì)素 和一定量的其它組分組成。其中，半纖維素是指那些以非共價(jià)鍵方式與纖維 素連接的多糖，具有高度的分支機(jī)構(gòu)，主要是由聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸 組成，其含量占到木質(zhì)纖維素原料的19％-35％。半纖維素經(jīng)水解可以得到 木糖、阿拉伯糖和半乳糖。我國(guó)每年形成的農(nóng)業(yè)廢棄物高達(dá)7億噸，其中大 部分被焚燒或拋棄處理，即浪費(fèi)了大量有用資源，又造成環(huán)境污染。這些生 物質(zhì)原料中的半纖維素組分可以轉(zhuǎn)化為木糖和阿拉伯糖，纖維素組分可以水 解得到葡萄糖、酶解得到燃料乙醇，木質(zhì)素原料可以用于制備木質(zhì)素-酚共 聚物等化工產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以進(jìn)一步用于制備木糖醇、糠醛、羥甲基糠醛、 乙酰丙酸等下游化工產(chǎn)品。充分利用木質(zhì)生物質(zhì)資源可以提高廣大農(nóng)業(yè)勞動(dòng) 者的經(jīng)濟(jì)收入，減輕環(huán)境污染，緩解我國(guó)對(duì)化石原料的依耐，對(duì)我國(guó)的循環(huán) 經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

目前，半纖維素主要是采用稀酸或濃酸進(jìn)行水解來制備木糖，常用的催 化劑為硫酸和鹽酸。濃硫酸水解過程是用70％的硫酸，在50℃下反應(yīng)2～6h。 稀酸水解的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于濃酸水解，一般硫酸濃度為0.5％～2％，反應(yīng)溫度為 120～125℃，水解時(shí)間為2～3小時(shí)，如果用鹽酸水解，鹽酸濃度可以下降到 硫酸的一半。采用無機(jī)酸作為催化劑的特點(diǎn)是催化劑價(jià)格便宜，工藝簡(jiǎn)單。 但是，采用硫酸等無機(jī)酸催化劑都會(huì)產(chǎn)生大量的廢水和廢渣污染環(huán)境，設(shè)備 腐蝕也很嚴(yán)重，需要采用不銹鋼等耐酸材料，每年要進(jìn)行設(shè)備檢修，中和過 程還會(huì)產(chǎn)生微溶于水的硫酸鈣，在后續(xù)蒸餾過程造成設(shè)備結(jié)垢。有機(jī)酸催化 劑具有選擇性強(qiáng)、副反應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn)，可以用于水解半纖維素制備木糖和阿拉 伯糖，同時(shí)可以解決設(shè)備腐蝕、污染物排放和設(shè)備結(jié)垢問題，但是，有機(jī)酸 催化水解的主要問題是催化劑價(jià)格昂貴，回收工藝復(fù)雜，木糖生產(chǎn)成本高。 因而，開發(fā)高效的有機(jī)酸催化劑，解決催化劑的成本問題和回收問題成為其 工業(yè)化的關(guān)鍵問題。

目前，我國(guó)專利報(bào)道的半纖維素水解制備木糖的工藝絕大部分都是采用 硫酸作為催化劑，如中國(guó)專利200710014209.3公開了一種利用玉米皮制備 結(jié)晶木糖的工藝，采用1.5％～3.0％的硫酸或鹽酸在100～125℃下沸騰水解， 用模擬移動(dòng)床回收硫酸和鹽酸，精制后得到結(jié)晶木糖。該工藝回收了催化劑， 但是沒能解決無機(jī)酸催化的設(shè)備腐蝕和結(jié)垢問題。中國(guó)專利200810123846.9 公開了一種利用磷酸作為催化劑水解木質(zhì)纖維素制備多種糖和木質(zhì)素的工 藝，反應(yīng)后采用中和、過濾、酸化等步驟回收磷酸催化劑，并得到半纖維素 水解糖液。但采用了有機(jī)溶劑來萃取木質(zhì)素，工藝流程復(fù)雜，生成成本高。 中國(guó)專利99805686.3公開了一種利用酸水解植物纖維制備L-阿拉伯糖的方 法，文中提到了可以采用硫酸、鹽酸、亞硫酸、乙酸、甲酸、草酸和檸檬酸， 但權(quán)利要求沒有對(duì)酸種類進(jìn)行限定，而且也沒有對(duì)催化劑進(jìn)行回收重復(fù)利 用。中國(guó)專利200710037882.9公開了一種利用生物原料煉制纖維素、木質(zhì) 素和木糖的方法，采用低沸點(diǎn)的有機(jī)酸浸泡粉碎后的生物質(zhì)原料，制備木糖 和低聚木糖，權(quán)利要求的低沸點(diǎn)有機(jī)酸為三氟乙酸、三氟甲磺酸中的一種或 兩種混合，但是三氟乙酸和三氟甲磺酸毒性大，價(jià)格昂貴，難于工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用草酸催化半纖維素水解制備木糖和阿拉 伯糖的方法，并回收重復(fù)使用催化劑。

所述水解木質(zhì)纖維素制備木糖和阿拉伯糖的方法，先用草酸水溶液對(duì)粉碎 后的木質(zhì)纖維素進(jìn)行催化水解，反應(yīng)完成后經(jīng)固液分離得到木質(zhì)纖維素水解 液和木糖渣，水解液經(jīng)中和處理后得到草酸鹽沉淀，再次經(jīng)固液分離后得到 固體草酸鹽，草酸鹽在酸化罐內(nèi)和硫酸作用，分離得到草酸溶液，草酸溶液重 復(fù)使用催化下一批木質(zhì)纖維素原料。

所述方法包括以下具體步驟：

1)將準(zhǔn)備的木質(zhì)纖維素原料粉碎為粒度不小于200目的粉末后，按液固質(zhì) 量比3～20與質(zhì)量濃度為0.2～15％的草酸溶液在水解反應(yīng)器中均勻混合，升溫 加熱到50～160℃并持續(xù)反應(yīng)3～240min后進(jìn)行水解反應(yīng)；