有机溶剂‑水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法技术

本发明专利技术涉及一种有机溶剂‑水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法。首先在有机溶剂‑水混合溶剂体系中，经过一定条件的处理，分离出纤维素，该过程产生的废液经干燥，干燥粉末在水体系中经过一定条件的处理，实现木素和糖的分离，获取木素和糖。本发明专利技术有三个显著特点，第一，全程没有无机酸、碱、盐的参与，过程反应温和，只有微量或极少量副产物生成，具备绿色化学特征；第二，有机溶剂和水均可回收利用，没有废水产生，符合环境友好的要求；第三，分别获取了纤维素、糖(半纤维素)和木素，实现了植物组分的全利用，过程没有废渣产生，切合资源节约和生物质综合炼制的理念。

Processing method for separating high purity cellulose, lignin and sugar from lignocellulose in organic solvents with water

The invention relates to a method of organic solvent water treatment separation of high purity cellulose, lignin and sugar from cellulose in. Firstly, in the organic solvent water mixed solvent system, dealing with certain conditions, separation of cellulose, the waste generated in the process of drying, dry powder in water system in certain conditions, to achieve the separation of lignin and sugar, lignin and sugar to obtain. The present invention has three characteristics, first, no inorganic acid, alkali and salt in the process of mild reaction, only a trace or a few by-products, with green chemistry characteristics; second, organic solvent and water can be recycled, no waste water, in line with environmental friendly requirements; third, were obtained respectively. The sugar (cellulose, hemicellulose and lignin), to achieve the full use of plant components, no waste residue, with resource conservation and comprehensive concept of biomass refining.

【技术实现步骤摘要】
有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法
本专利技术属于一种综合利用生物质原料的方法，具体涉及有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法。
技术介绍
木质纤维素生物质炼制是将地球上丰富的植物资源利用化学或者生物的方法转变为人类可以使用的材料、能源和化学品的综合技术。木质纤维原料是自然界中最为丰富的有机物。据估计，植物体每年通过光合作用产生的干物质高达1500-2000亿吨，是地球上唯一可超大规模再生的实物性资源。在我国，每年产生的农作物秸秆有7亿多吨，相当于3.5亿吨标准煤，森林采伐加工剩余物1000多万吨，蔗渣400多万吨，但每年用于工业过程或燃烧的纤维素资源仅占2％左右，还有很大一部分未被利用。木质纤维素的三大组分为纤维素、半纤维素和木素，工业上，对木质纤维素生物质的利用包括传统的造纸工业、糠醛工业和糖工业。造纸是利用无机化学品如烧碱、硫化钠、亚硫酸钠将木素和部分半纤维素溶解到废液中，留下纤维素和部分半纤维素作为造纸用的纸浆。糠醛工业的原料目前主要为玉米芯，将半纤维素的五碳糖组分脱水转化为糠醛，而纤维素和木素成为固体废渣，而糖工业指除了甘蔗、甜菜以外，以植物细胞壁中半纤维素为原料的功能糖工业，主要是无机酸水解法，得到木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖等。上述三种传统工业主要是利用了纤维素和半纤维素两大组分，目前还没有以木素为第一产品的工业生产，造纸、糠醛、糖工业中产生的木素废渣，大部分经过燃烧处理，回收热量；木素没有得到充分的利用；造纸工业的部分木素经过提取、洗涤、转化为其他产品，如水泥减水剂、表面活性剂、酚醛胶等。木质纤维素三大组分的全分离和利用是生物质炼制的核心，中国专利文献2010101978155中利用有机酸、无机酸、碱处理木质纤维素原料达到三大组分的分离。然而，该方法基于酸、碱、盐的三大组分分离技术，由于强烈的化学作用，各组分难免会降解碳化。木质纤维素的三大组分中，木素是刚性的胶黏剂，将三者结合在一起。因此，在三大组分的分离过程中，木素的分离是关键。无论是有机溶剂、还是无机酸、碱、盐处理，在一定温度和压力下解聚溶出木素的同时，均伴随着逆反应-聚合，即溶解的木素单体发生聚合而沉积，这就导致木素分离效率低，因而出现了提高处理温度、增长处理时间、增加助剂等手段，达到溶解脱除木素的目的，这势必导致纤维素和半纤维素的严重降解、木素结构和性质的不可逆恢复，这也是中国专利文献201210576326X和中国专利文献2012105705847在生产纸浆的同时，生成了生物碳和糠醛的原因。如何以绿色且缓和的手段，实现纤维素、木素、半纤维素的分离，进而获取高纯度的纤维素、木素和糖，而过程中不产生或极少量的产生降解产物，成为目前有待解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的特点，本专利技术提供有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法。本专利技术的技术方案如下：专利技术概述：纤维素、半纤维素和木素是构成木质纤维素的三大组分，本专利技术利用有机溶剂-水的先后联合处理，在一定温度和压力下，在有机溶剂-水混合溶剂体系中处理木质纤维素，通过物理溶解和化学解聚，选择性的将半纤维素和木素全部或部分溶解到废液中，经过固液分离，获得纤维素，废液经干燥，干燥的粉末在水体系中经过一定条件的处理，木素和半纤维素的复合物在水体系中处理，利用半纤维素的自水解，自水解产生的糖和木素因溶解性不同而分离，实现木素和糖的分离，分别得到纤维素、糖和木素。专利技术详述：有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法，包括步骤如下：(1)将木质纤维素原料粉碎后加入有机溶剂-水混合溶剂体系中，有机溶剂-水混合溶剂的质量为粉碎后木质纤维素原料的2-30倍，在温度70-180℃、压力为0.1-10Mpa条件下反应时间5-120min，得到固体和废液的固液混合物；(2)固液混合物经过滤进行初步固液分离，得到的固体依次进行溶剂置换洗涤、水置换洗涤，水置换洗涤后进行整体蒸发干燥，得到的固体为纤维素；(3)收集合并步骤(2)固液分离的滤液、溶剂置换洗涤液，经过干燥，得到固态粉末和冷凝液；收集水置换洗涤液，得低浓度的甲酸水溶液，通过液-液萃取实现水和甲酸的分离；(4)冷凝液经过精馏分离，得到的液体回用于步骤(1)有机溶剂-水混合溶剂配制和步骤(2)溶剂置换洗涤，同时分离出糠醛和乙酸副产品；(5)将步骤(3)中的得到的固态粉末加入水中进行处理，处理温度为35-140℃，pH1.0-7.0，处理时间1min-60min，水与固态粉末的质量比1:1-20:1，处理后的固态产物与液体分离后，按上述处理方式重复2-9次；(6)步骤(5)处理得到的固液混合物经干燥，得到木素；(7)步骤(6)得到的压滤液经纯化和干燥，得到糖。本专利技术优选的，所述的有机溶剂为甲酸和甲醛的混合，有机溶剂-水混合溶剂中甲酸质量浓度为60％-90％(w/w)，甲醛的质量浓度为0.1％-30％(w/w)。进一步优选的，有机溶剂-水混合溶剂中甲酸质量浓度为75％-85％(w/w)，甲醛的质量浓度为3％-8％(w/w)。本专利技术优选的，有机溶剂-水混合溶剂的质量为粉碎后木质纤维素原料的2-20倍，进一步优选的，有机溶剂-水混合溶剂的质量为木质纤维素原料的4-14倍。本专利技术优选的，步骤(1)反应温度为110-150℃、反应压力为1-5Mpa，反应时间为20-40min。本专利技术优选的，步骤(2)固液分离为采用目数大于等于100目的滤网进行过滤，初步分离得到固体和滤液。本专利技术优选的，步骤(2)溶剂置换洗涤为采用质量浓度为50-95％的甲酸(m/m)对固液分离得到的固体进行置换洗涤，控制洗涤温度60-85℃，固液质量比为1:9-1:15；最为优选的，溶剂置换洗涤采用甲酸的质量浓度为80％。本专利技术优选的，步骤(2)水置换洗涤液为采用水对溶剂置换洗涤后的固体进行置换洗涤，控制洗涤温度35-50℃，固液质量比为1:8-1:12。本专利技术优选的，步骤(3)干燥方式为闪蒸干燥、喷雾干燥或减压干燥，干燥温度小于等于170℃。闪蒸干燥、喷雾干燥或减压干燥按本领域的常规技术进行。本专利技术优选的，步骤(3)液-液萃取实现甲酸和水的分离，具体步骤如下：1)向低浓度的甲酸水溶液中加入等体积的含20-30％三辛烷基叔胺(v/v)、30-40％苯乙酮(v/v)、和40-50％(v/v)煤油组成的萃取剂，常温混合10-50min；2)静止直至煤油相和水相出现明显分层，收集煤油相，控制温度50-150℃、压力-0.3Mpa～-0.1Mpa，利用蒸馏的方式蒸出煤油相中的甲酸；液-液萃取进行2-4次，液-液萃取后的水相用于水置换洗涤；3)蒸出的甲酸用于混合溶剂的配制或溶剂置换洗涤，蒸馏剩余物再次用于液-液萃取。本专利技术优选的，步骤(5)处理温度为40-95℃，pH2.0-,6.0，处理时间1min-40min，水与固态粉末的质量比2:1-4:1；优选的，处理温度为70-90℃，pH2.0-3.0，处理时间1min-5min。进一步优选的，步骤(5)固态产物与液体分离为固液混合物在80-90℃下通过目数为400的滤网。本专利技术优选的，步骤(6)中干燥采用压滤脱水方式进行，压滤压力5-4本文档来自技高网...

【技术保护点】
有机溶剂‑水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法，包括步骤如下：(1)将木质纤维素原料粉碎后加入有机溶剂‑水混合溶剂体系中，有机溶剂‑水混合溶剂的质量为粉碎后木质纤维素原料的2‑30倍，在温度70‑180℃、压力为0.1‑10Mpa条件下反应时间5‑120min，得到固体和废液的固液混合物；(2)固液混合物经过滤进行初步固液分离，得到的固体依次进行溶剂置换洗涤、水置换洗涤，水置换洗涤后进行整体蒸发干燥，得到的固体为纤维素；(3)收集合并步骤(2)固液分离的滤液、溶剂置换洗涤液，经过干燥，得到固态粉末和冷凝液；收集水置换洗涤液，得低浓度的甲酸水溶液，通过液‑液萃取实现水和甲酸的分离；(4)冷凝液经过精馏分离，得到的液体回用于步骤(1)有机溶剂‑水混合溶剂配制和步骤(2)溶剂置换洗涤，同时分离出糠醛和乙酸副产品；(5)将步骤(3)中的得到的固态粉末加入水中进行处理，处理温度为35‑140℃，pH 1.0‑7.0，处理时间1min‑60min，水与固态粉末的质量比1:1‑20:1，处理后的固态产物与液体分离后，按上述处理方式重复2‑9次；(6)步骤(5)处理得到的固液混合物经干燥，得到木素；(7)步骤(6)得到的压滤液经纯化和干燥，得到糖。...

【技术特征摘要】
1.有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法，包括步骤如下：(1)将木质纤维素原料粉碎后加入有机溶剂-水混合溶剂体系中，有机溶剂-水混合溶剂的质量为粉碎后木质纤维素原料的2-30倍，在温度70-180℃、压力为0.1-10Mpa条件下反应时间5-120min，得到固体和废液的固液混合物；(2)固液混合物经过滤进行初步固液分离，得到的固体依次进行溶剂置换洗涤、水置换洗涤，水置换洗涤后进行整体蒸发干燥，得到的固体为纤维素；(3)收集合并步骤(2)固液分离的滤液、溶剂置换洗涤液，经过干燥，得到固态粉末和冷凝液；收集水置换洗涤液，得低浓度的甲酸水溶液，通过液-液萃取实现水和甲酸的分离；(4)冷凝液经过精馏分离，得到的液体回用于步骤(1)有机溶剂-水混合溶剂配制和步骤(2)溶剂置换洗涤，同时分离出糠醛和乙酸副产品；(5)将步骤(3)中的得到的固态粉末加入水中进行处理，处理温度为35-140℃，pH1.0-7.0，处理时间1min-60min，水与固态粉末的质量比1:1-20:1，处理后的固态产物与液体分离后，按上述处理方式重复2-9次；(6)步骤(5)处理得到的固液混合物经干燥，得到木素；(7)步骤(6)得到的压滤液经纯化和干燥，得到糖。2.根据权利要求1所述的有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法，其特征在于，所述的有机溶剂为甲酸和甲醛，有机溶剂-水混合溶剂中甲酸质量浓度为60％-90％(w/w)，甲醛的质量浓度为0.1％-30％(w/w)；优选的，有机溶剂-水混合溶剂中甲酸质量浓度为75％-85％(w/w)，甲醛的质量浓度为3％-8％(w/w)。3.根据权利要求1所述的有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法，其特征在于，有机溶剂-水混合溶剂的质量为粉碎后木质纤维素原料的2-20倍，优选的，有机溶剂-水混合溶剂的质量为粉碎后木质纤维素原料的4-14倍。4.根据权利要求1所述的有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法，其特征在于，步骤(1)反应温度为110-150℃、反应压力为1-5Mpa，反应时间为20-40min。5.根据权利要求1所述的有机溶剂-水联合处理从木质纤维素中分离高纯度纤维素、木素和糖的方法，其特征在于，步骤(2)固液分离为采用目数大于等于100目的滤网进行过滤，初步分离得到固体和滤液；步骤(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦梦华，王兆江，傅英娟，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37