[發(fā)明專利]秸稈的快速浸酸及水解處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210005720.8
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN102586495A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王羽娟;石國良;周玉恒;蔡愛華;肖忠明
• 申請（專利權(quán)）人: 中德瑞生物煉制實驗室(廈門)有限公司
• 主分類號: C13K1/02
• 分類號: C13K1/02;C13K13/00
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司 35204
• 代理人: 李雁翔

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半纖維素原料的水解處理方法。

背景技術(shù)

秸稈是成熟禾本作物收獲了籽實之后殘余莖、葉、穗部分的總稱，也包括榨糖之后的甘蔗渣，其主要成分包括木質(zhì)素、纖維素與半纖維素三大部分，這三種成分在不同作物秸稈的大概比例為纖維素30-50％，半纖維素20-35％，木質(zhì)素20-30％。其中纖維素水解產(chǎn)物是葡萄糖(六碳糖)，半纖維素水解產(chǎn)物主要為木糖、阿拉伯糖(均為五碳糖)，木質(zhì)素降解物是一系列復(fù)雜的含有苯環(huán)的化合物。

秸稈半纖維素部分很容易被稀酸水解，生成以五碳糖(木糖，阿拉伯糖)為主要成分的半纖維素水解物。半纖維素稀酸水解物經(jīng)純化后可直接制備功能性甜味劑結(jié)晶木糖，阿拉伯糖，或通過生物發(fā)酵直接將水解物中的木糖還原為附加值更高的功能性甜味劑木糖醇，或者發(fā)酵木糖生產(chǎn)包括燃料乙醇在內(nèi)的各類化工產(chǎn)品。此外，半纖維素水解物中的木糖也可以經(jīng)脫水反應(yīng)，生成重要的化工原料糠醛。盡管秸稈資源十分豐富，其中的半纖維素也十分容易被稀酸水解，但要獲得廉價的半纖維素水解物卻并非易事。因為秸稈體積龐大，容積密度低，傳統(tǒng)的水解方法不僅蒸汽、酸液耗量大，而且水解設(shè)備利用效率也很低。同時，水解過程消耗的酸液最終進(jìn)入環(huán)境，酸液耗量越大，秸稈水解廠的環(huán)境治理負(fù)擔(dān)就越重。因此，按照現(xiàn)有的半纖維水解工藝，無論是糠醛工業(yè)，或是木糖(醇)工業(yè)，都產(chǎn)生大量難以治理的廢水、廢渣，屬于典型的高能耗，重污染行業(yè)。

以傳統(tǒng)稀酸水解法水解玉米芯、甘蔗渣半纖維素制備木糖的工藝為例，原料裝入水解釜之后，加入硫酸溶液并使終點硫酸濃度達(dá)1-1.5％，通入蒸汽，115--130℃條件下水解1.5-2h。水解結(jié)束即濾出的水解液含糖量因原料而異，大約2.5-6％之間。為提高木糖的回收率，罐內(nèi)殘渣通常須再用清水煮一次，水煮液含糖約1-2％，補足酸后用于下一批物料水解。這種秸稈半纖維素液態(tài)水解工藝不僅水解過程耗能大，所得水解液糖濃度也很低。以玉米芯為例，液態(tài)水解液的總糖濃度一般不超過6％，而甘蔗渣液態(tài)水解液的總糖濃度甚至很難超過3％。過低的糖濃度增加了后續(xù)的濃縮負(fù)擔(dān)。

事實上，只有浸入秸稈組織內(nèi)部的酸才是參與催化水解反應(yīng)的有效酸，物料間隙的游離酸液屬于沒有參與反應(yīng)的無效酸。以玉米芯，甘蔗渣這類已經(jīng)廣泛用于水解的秸稈原料為例，它們自然堆積的空隙率一般超過50％，處于間隙的游離酸液不僅浪費了熱能，也稀釋了水解液的糖濃度，增加后期的濃縮費用，同時加重了水解液凈化以及環(huán)境治理的負(fù)擔(dān)。

如果秸稈原料組織浸透酸液，只要獲得與液態(tài)水解同樣的溫度條件，秸稈的酸水解反應(yīng)顯然可以同樣進(jìn)行。蒸汽是獲得與液態(tài)水解同樣的溫度條件有效媒介，浸透酸液的秸稈原料在汽態(tài)條件下水解，顯然就可以避免液體水解的諸多缺陷，大幅度降低秸稈水解生產(chǎn)的成本。但是，秸稈組織比較致密，組織結(jié)構(gòu)未經(jīng)破壞的秸稈原料并不容易很快浸透酸液。例如，完整玉米芯通常需要數(shù)天時間才能浸透酸液。羅鵬等人用0.5％稀硫酸浸泡經(jīng)過剪斷麥草原料，處理時間仍需12小時。(羅鵬劉忠王高升，酸催化的蒸汽爆破預(yù)處理強度對麥草酶水解影響的研究。林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)；2006，26(4)：105-109)。過長的浸酸處理時間將嚴(yán)重影響秸稈水解生產(chǎn)效率，在實際生產(chǎn)中變得不可行。

把秸稈原料粉碎，再將酸液噴灑到粉碎物料上，由于接觸面擴(kuò)大，酸液擴(kuò)散距離縮短，也能起到加速浸酸的作用。例如，趙輝等人將15％的硫酸噴灑至粉碎玉米芯的表面，浸潤一定時間，再用蒸汽加熱水解，所提取的半纖維素水解液還原糖深度可達(dá)13％(趙輝?吳國峰?章克昌，玉米芯半纖維素常壓酸水解技術(shù)的研究。黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2003，20(1)，118-12)。但是，將秸稈原料粉碎之前必須經(jīng)干燥處理，粉碎過程也需要消耗動力，噴酸，粉碎的過程也需要占用大量場地與設(shè)備。這顯然提高了秸稈水解的生產(chǎn)成本。

如果能夠利用不經(jīng)粉碎的秸稈原料進(jìn)行汽態(tài)酸水解，就可以免去原料粉碎的煩瑣過程。但是，必須能夠?qū)崿F(xiàn)快速浸酸，利用不經(jīng)粉碎的秸稈原料進(jìn)行汽態(tài)酸水解的工藝才有有實際應(yīng)用價值。如果能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高秸稈原料在水解罐的裝鍋密度，這種汽態(tài)水解工藝所發(fā)揮效益，是傳統(tǒng)液態(tài)水解工藝所不可比擬的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一，在于提供一種快速浸酸的方法，采用本發(fā)明的方法，物料無需粉碎即可快速浸酸。

本發(fā)明的另一目的，在于提供一種汽態(tài)水解半纖維素原料的方法，以解決背景技術(shù)的水解后糖濃度過低，無效的酸液過多，浪費熱能和后期濃縮費用等問題。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：