一种预处理纤维素类生物质的方法技术

本发明专利技术涉及一种预处理纤维素类生物质(cellulosic biomass)的方法，其包括在机械破碎纤维素类生物质之前、同时或之后，将所述纤维素类生物质与能够降解纤维素类生物质的化学药品接触，并且利用所述机械破碎产生的热量来提高所述纤维素类生物质与所述化学药品的混合物的温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化学领域与生物能源领域。具体而言，本专利技术涉及一种预处理纤维素类生物质(cellulosic biomass)的方法，其包括在机械破碎纤维素类生物质之前、同时或之后，将所述纤维素类生物质与能够降解纤维素类生物质的化学药品接触，并且利用所述机械破碎产生的热量来提高所述纤维素类生物质与所述化学药品的混合物的温度。
技术介绍
随着石化资源的日趋紧张，将生物资源，特别是农林废弃物(例如玉米秸秆、稻草、麦草、甘蔗渣、木材)等木质纤维生物质原料转化为液体燃料的开发利用越来越成为研究的热点。将这些废弃物生物质转化为乙醇、丁醇、生物柴油等可再生的液体燃料，不仅可以解决环境污染问题，而且还能缓解日益紧张的能源危机，并减少温室效应气体的排放，这对于创建可持续发展的循环经济模式具有重要意义。将纤维素类生物质转化为液体燃料一个关键步骤是，通过物理或化学作用预处理纤维素类生物质，以便将其转化为易于被酶降解的底物(例如，葡聚糖、木聚糖等)。由于缺少经济可行的方法和设备，预处理糖化过程的成本一直居高不下，严重阻碍了纤维素类生物质的利用向商业化发展。用于预处理纤维素类生物质的传统方法主要包括，使用粉碎机或振动球磨的机械处理法，使用反应釜或蒸煮锅的化学处理法等。这些方法在预处理纤维素类生物质时，能耗高、化学品消耗量大，导致预处理糖化过程的成本过高。研究者们已进行了大量的研究工作来开发新型、有效的木质纤维素预处理方法。然而，目前所开发出来的方法大多涉及在高温、高压和/或高液固比条件下使用化学药品，通过化学作用处理纤维素类生物质。例如，吉林轻工设计院开发了一种预处理方法(中国专利申请CN101134970)，其通过喷淋碳酸钠碱性溶液，然后通入氧气和蒸汽，并保持温度为100-165℃，压力为1.6-2.5MPa，来预处理纤维素类生物质。中国石油化工股份有限公司和南京工业大学共同开发了一种木质纤维素的联合预处理方法(中国专利申请CN101230546)，其包括，在50-200℃下进行酸循环处理，然后在碱性溶液存在下在球磨机中进行球磨。加拿大埃欧金能量有限公司开发的预处理方法(中国专利申请CN101056720)包括，使用辊压机挤压除去纤维素类生物质中的一部分水和可溶性物质，然后在160-280℃的温度下用浓度为8-20%的稀酸进行预处理。江南大学工程学院开发了在常压下使用浓酸预处理纤维素类生物质的方法(中国专利申请CN1327972)，但该方法所使用的液固比为10∶1～20∶1，浸润时间高达10～18小时，化学药品消耗量大且耗时。上述的预处理方法均主要通过化学法来处理生物质，其反应条件苛刻且用水量大，成本高且不利于环保。河南天冠(中国专利申请CN101200734)和中科院过程工程研究所(中国专利申请CN1806945)各自开发了通过蒸汽爆破来预处理纤维素类生物质的方法。蒸汽爆破法是目前比较常用的一种生物质预处理方法，其包括，把原料加入到被称为蒸汽反应腔的反应容器中，通入蒸汽直至达到需要的温度或压力，保持一段时间，然后突然爆炸减压。这种方法虽然可将大部分半纤维水解成单糖，但木质素的脱除效率不高。另外，这种方法虽然没有使用化学药品，但蒸汽消耗量大，设备要求高，难以大规模的产业化。US4461648(Foody)描述了一种将硫酸预浸和蒸汽爆破相结合的预处理方法。该方法能够降低蒸汽爆破的温度和缩短反应时间，然而，高温条件下的酸性腐蚀增加了设备的成本，并且间歇性的操作以及较高的蒸汽耗量(不可回收)都造成费用过高，难以实现产业化。US4237226(Grethlein等)描述了一种连续的预处理方法，其包括，在水中将纤维素类生物质制成约5-10%的固体悬浮液，将该悬浮液加热至反应温度并注入浓硫酸，然后通过注入新鲜蒸汽对经酸化的悬浮液进一步加热。这种预处理方法的液固比高，并且需要消耗大量的蒸汽。中国专利申请CN101182551A(张晓阳)公开了一种用碱预处理植物纤维以生产燃料酒精的方法。在该方法中，所使用的氢氧化钠的浓度为0.5%-5%，反应温度在100℃以下，然而该方法的液固比高(8-12：1)，并且消耗的时间也较长。中国专利申请CN101121175A(韩农)公开了一种使用碱和臭氧的预处理方法。在该方法中，秸秆的干物质占料液总量的3%-15%，石灰占料液总量的0.3%-1%，并且混合后的料液用臭氧进行处理。该方法提高了后续处理步骤中秸秆的木质素和纤维素的降解率，然而，臭氧的成本过高，不适用于工业化生产。中国专利申请CN102010882A(鲍杰)公开了一种在高温下用稀酸预处理木质纤维素原料的方法，其仅需要极限低的水用量，所使用的液固比达1：3-2：1，但其需要加入140℃-250℃的蒸汽，并维持1-120分钟(min)。中国专利申请CN101255479描述了一种将化学处理与机械粉碎相结合的高效糖化方法，其包括对木质纤维原料进行粗粉碎(20-60目)，然后加入0.1%-3%的碱溶液直至液固比为4:1-12:1，并继续进行湿粉碎1-4小时(h)。该方法虽然不需要加入蒸汽而进行常温条件下的预处理，但由于需要将原料粗粉碎到20-60目，并且湿粉碎时间比较长，因此，用水量大，机械能耗高，不能实现连续预处理，难以产业化。因此，预处理纤维素类生物质的方法中存在的问题可以归结为：1)蒸汽爆破处理的能耗高，木质素脱除困难，不易实现连续生产和产业化；2)常规的酸或碱处理的条件苛刻，用水量大，能耗高，且容易产生副产物；3)单纯的机械处理(例如粉碎或湿法研磨)的效率低，能耗高，难以大规模生产。因此，本领域迫切需要开发新型、有效的预处理纤维素类生物质的方法，以促进将纤维素类生物质转化为液体燃料的工业化生产。
技术实现思路
相关术语在本申请中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。并且，本文中所用的实验室操作步骤均为相应领域内广泛使用的常规步骤。同时，为了更好地理解本专利技术，下面提供相关术语的定义和解释。如本文中所使用的，术语“纤维素类生物质”是指，含有纤维素和/或半纤维素的生物质，其可来源于例如，农业废弃物(例如玉米秸秆、小麦茎秆、稻草、麦草、甘蔗渣等)，工业废弃物(例如制浆和造纸厂的纤维渣)、林业废弃物(例如木材、锯木屑等)和城市废弃物(例如废纸、包装纸等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预处理纤维素类生物质的方法，其包括，在机械破碎纤维素类生物质之前、同时或之后，将所述纤维素类生物质与能够降解纤维素类生物质的化学药品接触，并且利用所述机械破碎产生的热量来提高所述纤维素类生物质与所述化学药品的混合物的温度。

【技术特征摘要】
1.一种预处理纤维素类生物质的方法，其包括，在机械破碎纤维
素类生物质之前、同时或之后，将所述纤维素类生物质与能够降解纤维
素类生物质的化学药品接触，并且利用所述机械破碎产生的热量来提高
所述纤维素类生物质与所述化学药品的混合物的温度。
2.权利要求1的方法，其中所述机械破碎产生的热量将所述混合
物的温度提高到至少50℃，优选至少55℃，至少60℃，至少65℃，至
少70℃，至少75℃，至少80℃，至少85℃，至少90℃，至少95℃，
至少96℃，至少97℃，至少98℃，至少99℃或更高。
3.权利要求1或2的方法，其中所述方法在常压下进行。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中所述化学药品选自硫酸、
磷酸、甲酸、乙酸、氢氧化钠、碳酸钠、硫化钠、亚硫酸钠、过氧化氢
或其组合；
优选地，将所述纤维素类生物质与至少2种化学药品接触。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中使用挤压机，压榨机或粉
碎机，优选使用双螺旋挤压机来对纤维素类生物质进行机械破碎；
优选地，所述纤维素类生物质来源于农业废弃物(例如玉米秸秆、
小麦茎秆、稻草、麦草、甘蔗渣等)，工业废弃物(例如制浆和造纸厂的
纤维渣)、林业废弃物(例如木材、锯木屑等)、城市废弃物(例如废纸、
包装纸等)或其组合。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中在将所述纤维素类生物质
与所述化学药品接触之前，用水洗涤所述纤维素类生物质，并且洗涤后
的纤维素...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海松，刘超，牟新东，艾弗特·范德海德，于光，李滨，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37