[發明專利]一種秸稈半纖維素的水解處理方法

有效

• 申請號: 201210005770.6
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN102559942A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 盧藝芳;陳海珊;覃香香;郭高志;張厚瑞
• 申請（專利權）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: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 李雁翔

技術領域

本發明涉及秸稈半纖維素的水解處理方法。

背景技術

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％，木質素20-30％。其中纖維素水解產物是葡萄糖(六碳糖)，半纖維素水解產物主要為木糖、阿拉伯糖(均為五碳糖)，木質素降解物是一系列復雜的含有苯環的化合物。

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純化后可直接制備功能性甜味劑結晶木糖，阿拉伯糖，或通過生物發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，或者發酵木糖生產包括燃料乙醇在內的各類化工產品。此外，半纖維素水解物中的木糖也可以經脫水反應，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，傳統的水解方法不僅蒸汽、酸液耗量大，而且水解設備利用效率也很低。同時，水解過程消耗的酸液最終進入環境，酸液耗量越大，秸稈水解廠的環境治理負擔就越重。因此，按照現有的半纖維水解工藝，無論是糠醛工業，或是木糖(醇)工業，都產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。

以傳統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1-1.5％，通入蒸汽，115--130℃條件下水解1.5-2h。水解結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，液態水解液的總糖濃度一般不超過6％，而甘蔗渣液態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的濃縮負擔。

事實上，只有浸入秸稈組織內部的酸才是參與催化水解反應的有效酸，物料間隙的游離酸液屬于沒有參與反應的無效酸。以玉米芯，甘蔗渣這類已經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境治理的負擔。

如果秸稈原料組織浸透酸液，只要獲得與液態水解同樣的溫度條件，秸稈的酸水解反應顯然可以同樣進行。蒸汽是獲得與液態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的成本。但是，秸稈組織比較致密，組織結構未經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天時間才能浸透酸液。羅鵬等人用0.5％稀硫酸浸泡經過剪斷麥草原料，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處理強度對麥草酶水解影響的研究。林產化學與工業；2006，26(4)：105-109)。過長的浸酸處理時間將嚴重影響秸稈水解生產效率，在實際生產中變得不可行。

把秸稈原料粉碎，再將酸液噴灑到粉碎物料上，由于接觸面擴大，酸液擴散距離縮短，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13％(趙輝吳國峰章克昌，玉米芯半纖維素常壓酸水解技術的研究。黑龍江大學自然科學學報，2003，20(1)，118-12)。但是，將秸稈原料粉碎之前必須經干燥處理，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備。這顯然提高了秸稈水解的生產成本。

如果能夠利用不經粉碎的秸稈原料進行汽態酸水解，就可以免去原料粉碎的煩瑣過程。但是，必須能夠實現快速浸酸，利用不經粉碎的秸稈原料進行汽態酸水解的工藝才有有實際應用價值。如果能在此基礎上進一步提高秸稈原料在水解罐的裝鍋密度，這種汽態水解工藝所發揮效益，是傳統液態水解工藝所不可比擬的。

發明內容

本發明的目的之一，在于提供一種汽態水解未經粉碎處理的秸稈原料的方法，以解決背景技術的液態水解后糖濃度過低，無效酸液過多，浪費熱能和后期濃縮費用等問題，并節約原料粉碎這一煩瑣工序。

本發明的另一目的，在于提供一種秸稈原料高比容(裝鍋密度)裝鍋水解的方法，以進一步解決水解設備使用效率低的問題。

本發明提供的技術方案如下：