[發明專利]一種加壓微波預處理木質纖維素的方法

無效

• 申請號: 201110098218.1
• 申請日: 2011-04-19
• 公開（公告）號: CN102220384A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 馮玉杰;李冬梅;劉玉蕾
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C12P7/10
• 分類號: C12P7/10
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 金永煥

技術領域

本發明涉及一種處理木質纖維素的方法。

背景技術

木質纖維素是地球上最豐富、最廉價的可再生資源之一，被認為是最重要的燃料酒精生產的后續資源物質。但是纖維素類物質結構復雜，纖維素酶難以進入纖維素的結晶區，使得纖維素的生物降解難于迅速進行。因此人們不得不采用化學的、物理的方法進行預處理，使纖維素與木質素、半纖維素分離，解開纖維素內部氫鍵，將結晶纖維素轉化為無定形纖維素，使預處理后所得的物質更易于被生物或者化學的方法水解。

現有的各種預處理的方法和工藝成本過高、能耗過大，雖然目前利用木質纖維素生產燃料酒精的技術原理和工藝路線已被認知，但由于成本過高，導致纖維素酒精的價格尚無法與糧食酒精相競爭而一直沒有得到推廣應用。因此開發經濟適用、效果好的預處理方法對生物質制取燃料酒精具有重要意義。

目前主要的纖維素預處理方法有以下幾個方面：

化學法主要有酸水解法和堿水解法。化學法能夠獲得較好的預處理效果，但是處理后樣品的pH值偏高或偏低，必須進行pH值調節才能進行后續的糖化發酵工藝，同時還存在回收試劑、中和、洗滌等問題，處理用水量增加，后期廢水處理費用也相應增加。

物理化學方法主要有蒸汽爆破法和CO₂爆破法。蒸汽爆破法是將物料加熱至200℃左右保持0.5～15min，水分子在高溫高壓下能夠穿透生物質的細胞壁結構，然后迅速打開閥門降壓，造成纖維素晶體的爆裂，木質素和纖維素分離。該法缺點是高溫高壓環境，對設備要求嚴格，成本高，同時造成企業生產廢水的排出，造成廢水處理成本的增加；CO₂爆破法的原理與操作過程類似于蒸汽爆破法，但是成本高于蒸汽爆破法。

物理法有機械破碎、高溫熱水預處理和微波預處理等方法。機械破碎是一種最常使用的植物纖維素原料預處理方法，大多數植物纖維素原料在進行其他的預處理以前，都要對其進行機械破碎。對于機械破碎預處理而言，盡管處理后粒徑越小越有利于后續的水解，但所需要的能量也會增加，所以存在一個機械破碎預處理植物纖維素原料的最佳粒徑。機械破碎法的缺點是耗能大，耗能占生產過程總耗能的50～60％；高溫熱水預處理是在高溫高壓(溫度＞200℃，壓力大于同溫度下的飽和蒸汽壓)使用液態水對植物纖維素原料進行預處理的過程。高溫熱水預處理會導致有價值組分的損失，且水解產物對下游酒精發酵具有一定的抑制作用。微波預處理是利用表面微波改變植物纖維素原料的超分子結構，使纖維素結晶區尺寸發生變化；能夠部分降解木質素和半纖維素，從而增加其可及度，提高植物纖維素的酶水解的效率。

生物方法預處理植物纖維素原料，文獻報道最多的是白腐真菌分解植物纖維素原料中的木質素，進而提高植物纖維素原料的水解效率。但存在周期長，菌體會利用部分纖維素與半纖維素，使植物纖維素原料的水解得率降低等不足。專利名稱為“用于燃料酒精生產的原料微波預處理方法(申請號：200710144429.8，申請日：2007年10月12日，公開日：2008年4月30日)”的專利中預處理時間長(30～60min)，致使能耗大，成本高，用水量大(固液比1∶30～50)，且還原糖的轉化率低，僅為：70.2％，其中葡萄糖轉化率為：49.1％，木糖的轉化率為211％，76％的理論乙醇產率。

發明內容

本發明目的是為了解決現有作為酒精原料的木質纖維素，其預處理方法存在用水量大、成本高、能耗大和還原糖的轉化率低的問題，而提供一種加壓微波預處理木質纖維素的方法。

加壓微波預處理木質纖維素的方法按以下過程進行：取4～6g已干燥至恒重的木質纖維素，粉碎成10～40目的粉末，然后按固液比1∶5～20加入蒸餾水，在溫度為110～150℃的條件下加壓微波處理2～15min，即完成加壓微波預處理木質纖維素；其中加壓微波處理所用壓力為0.1～0.5MPa，所用微波頻率為450MHz。

本發明達到了在保證預處理效果的前提下，縮短了處理時間，降低用水量(固液比1∶5～20)，降低了生產能耗和成本，同時不造成二次污染，易于實現工業應用的目的。

本發明中加壓微波預處理條件相對于其它預處理方法溫和一些，反應的溫度壓強要求都不是很高(本發明中反應溫度為110～150℃，壓力為0.1～0.5MPa)，安全性高，能耗小；不需要添加任何化學試劑，且反應時間短(本發明中反應時間僅為2～15min)，相應節省了成本。