[發明專利]一種木質纖維素酸堿耦合預處理方法

有效

• 申請號: 201110007487.2
• 申請日: 2011-01-14
• 公開（公告）號: CN102153763A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 齊崴;黃仁亮;蘇榮欣;何志敏
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C08H7/00
• 分類號: C08H7/00;C13K13/00;C12P19/14
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

技術領域

本發明屬于生物質資源轉化利用技術領域，特別是涉及一種木質纖維素酸堿耦合預處理方法，具體而言，利用酸堿耦合預處理分離木質纖維素為纖維素、半纖維素和木質素，同時實現木質纖維素組分分離和高效酶解糖化。

背景技術

從木質纖維素資源出發制備生物質能源和生物基化學品，逐步建立生物精煉經濟模式，可以緩解對石油工業的依賴以及減少對環境的污染。在木質纖維素的轉化過程中，基于糖平臺的生物轉化技術由于反應條件溫和、環境友好等優點備受青睞。然而，如何高效水解木質纖維素中復雜的多糖仍然制約著木質纖維素生物精煉的發展。

木質纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。其中，纖維素是由D-葡萄糖通過β-1，4糖苷鍵聯結而成的長鏈分子，長鏈分子進一步形成一種具有高度結晶區的超分子穩定結構，同時其周圍緊密鑲嵌著半纖維素和木質素，這種復雜穩定的結構使得纖維素很難直接被酶水解。為提高纖維素酶解效率，必須對木質纖維素原料進行預處理。

通過預處理改變木質纖維素物化特性可有效提高纖維素酶解效率。目前，木質纖維素預處理方法大致可分為物理法、化學法、物理化學法以及生物法。物理法主要通過機械粉碎、微波、蒸汽爆破等手段來提高纖維素酶解效率，不足之處在于過程耗能高，對設備投入大。化學法利用化學試劑(如酸、堿)水解半纖維素或脫除木質素，在改變木質纖維素化學組成的同時也會導致其物理特性的變化，如結晶度、可及內表面積等。化學法由于過程操作簡單、耗能低、效果明顯等優點有望在今后工業生產中得到廣泛應用。生物法則主要采用白腐真菌或木質素降解酶等降解木質纖維素原料中的木質素，從而提高纖維素的酶解效率。生物法正處在實驗階段，有待進一步研究。目前，絕大多數預處理方法很難同時實現木質纖維素的全組分分離和高效酶解。此外，傳統的預處理思路也往往局限于獲得可轉化為乙醇的纖維素，對半纖維素、木質素的處理未予以充分重視。因此，為了降低生產成本，預處理過程應該在實現纖維素高效糖化的同時將這三大組分分離、純化，進而各自轉化為有用產品。

發明內容

本發明的目的在于提供一種新的木質纖維素酸堿耦合預處理方法，可以克服現有技術的缺陷。它是木質纖維素組分分離和高效酶解的酸堿耦合預處理方法，能夠同時實現木質纖維素三大組分分離和纖維素高效酶解糖化，并實現溶劑的回收再用。

本發明所述的木質纖維素酸堿耦合預處理方法主要涉及木質纖維素預處理、組分分離、纖維素酶解、溶劑回收再用等工序，包括下述步驟：

(1)將風干的木質纖維素(玉米秸稈、玉米芯、麥稈或木屑等)進行機械粉碎處理，粒徑為100目～1cm之間。

(2)粉碎后的木質纖維素利用甲酸或稀硫酸溶液進行處理。

a.甲酸處理：在40～100℃下加入濃度為70～95wt％的甲酸溶液攪拌處理1～10h，木質纖維素與甲酸溶液的固液比(w/v)為1∶50～1∶5，鹽酸添加量為甲酸體積的0～1/25，攪拌轉速為20～300rpm。

b.稀硫酸處理：在80～150℃下加入濃度為0.5～10wt％的稀硫酸溶液攪拌處理5min～2h，木質纖維素與稀硫酸溶液的固液比(w/v)為1∶50～1∶5，攪拌轉速為20～300rpm。

(3)酸處理后的反應漿料經過渦流離心、抽濾或板框過濾進行固液分離，得液態物料和固態物料。

(4)對步驟(3)獲得的液態物料進行溶劑回收

a.甲酸處理：通過減壓蒸餾、萃取精餾或共沸精餾方法對液態物料中的甲酸進行回收，甲酸溶液回收后，木質素和半纖維素水解糖發生沉淀。加水溶解可溶性糖，水不溶性木質素經固液分離方法進行收集；液態物料的主要成分為木糖、木寡糖等半纖維素水解糖。

b.稀硫酸處理：液態物料進行酸堿中和處理，加入10wt％氫氧化鈉溶液，直到體系pH值為6.5～7.5。

(5)對步驟(3)獲得的固態物料再進行氨水或氫氧化鈉溶液處理。

a.氨水處理：在40～80℃下加入濃度為10～25wt％的氨水溶液攪拌處理2～24h，固態物料與氨水溶液的固液比(w/v)為1∶20～1∶2，攪拌轉速為20～300rpm。

b.氫氧化鈉處理：在60～120℃下加入濃度為0.5～10wt％的氫氧化鈉溶液攪拌處理1～12h，固態物料與氫氧化鈉溶液的固液比(w/v)為1∶50～1∶5，攪拌轉速為20～300rpm。

(6)堿處理后的料液進行固液分離，得液態物料和固態物料，所述的固液分離方法為渦流離心、抽濾或板框過濾。

(7)對步驟(6)獲得的液態物料進行溶劑回收