一种同步生产纤维素纳米晶须和乙醇的工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种同步生产纤维素纳米晶须和乙醇的工艺。其工艺流程为：备料→PFI打浆→浓酸水解→离心洗涤→悬浊液→透析→纤维素纳米晶须（CNC）;离心上清液+残渣→CaCO

【技术实现步骤摘要】
一种同步生产纤维素纳米晶须和乙醇的工艺
本专利技术涉及纤维素纳米晶须(CNC)和乙醇生产领域，尤其是涉及一种同步生产纤维素纳米晶须(CNC)和乙醇的工艺。
技术介绍
天然纤维素是自然界中最丰富的生物质资源，广泛存在于动物、植物及微生物中。纤维素是由β-D-吡喃式葡萄糖单元以1,4-β-苷键连接而成的具有结晶结构的线状高分子化合物。一般来讲，纤维素纳米晶须(CNC)主要是由纤维素的结晶区组成的长度在50-400nm之间，直径在10-30nm之间的、高结晶度的棒状聚集态结构。这些特性使得纳米微晶纤维素具有很高的经济价值，广泛用于纳米复合材料、医药载体、造纸、包装、涂料、食品添加剂等领域。目前来讲，最为普遍的CNC制备方法为浓硫酸水解，其得率约在20-50％之间。这也意味着大部分的纤维素和半纤维素以低聚糖的形式存在于CNC废液中。这些糖类随着废水排出造成资源的浪费。因此，利用CNC废水制备生物乙醇是一个高效利用生物质资源的可行的途径，尽管它存在很多问题。一、CNC废水含有大量的硫酸，用碱中和后会产生高盐废水。二、废水中的糖大部分以低聚糖的形式存在，影响乙醇的高效转化。三、以常规纤维原料生产CNC的废水中存在大量的木聚糖并没有被利用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种同步生产纤维素纳米晶须和乙醇的工艺。本专利技术的优点在于原料的利用率高，乙醇转化率高，废水污染少，为生物质高效高值转化提供一条新途径。本专利技术的目的是通过以下技术方法实现的。一种同步生产纤维素纳米晶须和乙醇的工艺，包括以下步骤：(1)备料：将浆板浸泡后撕碎；(2)打浆：将撕碎后的浆板加入PFI磨中打浆，再干燥，得浆料；(3)浓酸水解：向步骤(2)所得浆料中加入浓酸，40-60℃下进行水解反应，反应后加入水终止反应；(4)离心洗涤：离心，收集上清液，不断重复向固体残渣中加水洗涤，离心，收集上清液，直到上清液变浑浊，然后收集上层的浑浊液,继续向固体残渣中加水冲洗，离心，收集上层的浑浊液，直到上层浑浊液变澄清，再收集固体残渣；(5)透析：将步骤(4)所得浑浊液加入透析袋中透析，得纤维素纳米晶须；(6)调节pH：混合步骤(4)所得上清液和固体残渣，调节所得溶液的pH至0.15-0.2；(7)稀酸水解：将步骤(6)所得溶液加入灭菌锅中115-125℃下稀酸水解，得水解液；(8)中和反应：调节水解液的pH为中性；(9)过滤：将步骤(8)所得混合液过滤，得滤液和滤渣；(10)厌氧发酵：将发酵营养液和酵母提取物加入步骤(9)所得滤液中，得发酵液，再在30-40℃下进行厌氧发酵48-96h，得乙醇。优选的，步骤(1)所述浆板为普通浆板并非溶解浆板。优选的，步骤(3)所述浓酸为硫酸，浓度为60-64wt％。优选的，步骤(3)所述浆料与浓酸的质量比为1:15-1:30；所述水解反应的时间为30-90min；所述水的用量为反应液体积的5-10倍。优选的，步骤(5)所述透析的换水频率为2-3次/天，透析时间为5-7天，透析袋的规格为7000-12000Da。优选的，步骤(6)与步骤(8)中调节pH所用物质为研磨CaCO3。优选的，步骤(7)所述稀酸水解的条件为：pH＝0.15-0.2，反应时间为40-120min。优选的，步骤(10)所述发酵营养液为(NH4)2SO4、KH2PO4、MgSO4、CaCl2和水的混合液；所述(NH4)2SO4、KH2PO4、MgSO4、CaCl2和酵母提取物在发酵液中的浓度分别为0.5-1.5g/L、2-3g/L、0.3-0.5g/L、0.05-0.15g/L和0.25-0.75g/L。优选的，步骤(10)所述厌氧发酵采用梯度保温程序，具体步骤为：先在37-40℃保持24-36h，再在28-30℃保持48-72h。优选的，步骤(10)所述酵母提取物为酿酒酵母CICC1416和休哈塔假丝酵母GIM2.175。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术利用两步酸水解法能同步得到高质量的纤维素纳米晶须和高糖废水，有效提高了原料的利用率。2、本专利技术利用研磨CaCO3对所得高糖废水进行中和反应，然后进行微孔过滤，有效避免了废水中无机盐的大量积累。3、本专利技术利用五六碳糖共发酵转化所得高糖废水，单糖利用率高，乙醇转化率好，为生物质高效高值转化提供一条新途径。附图说明图1是不同酸水解条件下制备的CNC的XRD谱图及结晶度。图2是不同酸水解条件下制备的CNC的尺寸大小分析图。图3a、图3b、图3c、图3d分别是不同酸水解条件下制备的CNC的TEM图片。具体实施方式以下通过附图和实例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1(1)备料：将30g杨木浆板加入0.5L水中浸泡4h后撕碎；本实施例所用杨木浆板来自中国山东某浆厂，其成分组成和主要元素组成如表1所示。表1(2)打浆：将撕碎后的浆板加入PFI磨(MarkV1型)中打浆；打浆条件为：浆料浓度：10wt％，打浆压力：3.33N/mm刀片长度；转数：2000转。打浆完成后，将浆料置于40℃真空干燥箱中过夜，得浆料。(3)浓酸水解：向步骤(2)所得浆料中加入浓硫酸进行水解反应，反应后加入反应液5倍体积的水终止反应；本实施例利用两步硫酸水解法生产纤维素纳米晶须和高糖废水，其工艺条件如表2所示。表2(4)离心洗涤：离心，收集上清液，不断重复向固体残渣中加水洗涤，离心，收集上清液，直到上清液变浑浊，然后收集上层的浑浊液,继续向固体残渣中加水冲洗，离心，收集上层的浑浊液，直到上层浑浊液变澄清，再收集固体残渣；离心条件为：离心力：1200g，每次离心时间：10min；(5)透析：将步骤(4)所得浑浊液加入7000Da的透析袋中透析5天，换水频率为2次/天，得纤维素纳米晶须(CNC)；(6)调节pH：混合步骤(4)所得所有的上清液和固体残渣，用研磨CaCO3调节所得溶液的pH至0.18；(7)稀酸水解：将步骤(6)所得溶液(pH＝0.18)装于灭菌瓶中，并置于灭菌锅中121℃下稀酸水解60min，得水解液；(8)中和反应：用研磨CaCO3调节水解液的pH为中性；(9)过滤：将步骤(8)所得混合液用微孔过滤器过滤，得滤液和滤渣；微孔滤膜的孔径为0.45μm；(10)厌氧发酵：将发酵营养液和酵母提取物加入步骤(9)所得滤液中，得发酵液，然后在发酵罐中先在40℃保持24h，再在30℃保持48h，得乙醇；所述发酵营养液为(NH4)2SO4、KH2PO4、MgSO4、CaCl2和水的混合液；所述(NH4)2SO4、KH2PO4、MgSO4、CaCl2和酵母提取物在发酵液中的浓度分别为1g/L、2.5g/L、0.4g/L、0.1g/L和0.5g/L；所述酵母提取物为酿酒酵母CICC1416和休哈塔假丝酵母GIM2.175(质量比＝1:1)本实施例利用X-射线衍射仪(D8ADVANCE，德国Bruker公司)对所制得的NCC的结晶结构进行分析。XRD测试条件为：Cu靶，管压40KV，电流40mA，扫描速度35.4秒/步，步长0.04度，扫描范围5-60度。所得XRD图谱如图1所示。如图1所示，以杨木浆板为原料，不同酸水解条件制备的CNC都具有典型的纤维素Ⅰ型的结构。CNC的结晶度大致随着浓酸水解反应时间的增加而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步生产纤维素纳米晶须和乙醇的工艺，其特征在于，包括以下步骤：（1）备料：将浆板浸泡后撕碎；（2）打浆：将撕碎后的浆板加入PFI磨中打浆，再干燥，得浆料；（3）浓酸水解：向步骤（2）所得浆料中加入浓酸，40‑60℃下进行水解反应，反应后加入水终止反应；（4）离心洗涤：离心，收集上清液，不断重复向固体残渣中加水洗涤，离心，收集上清液，直到上清液变浑浊；然后收集上层的浑浊液, 继续向固体残渣中加水冲洗，离心，收集上层的浑浊液，直到上层浑浊液变澄清，再收集固体残渣；（5）透析：将步骤（4）所得浑浊液加入透析袋中透析，得纤维素纳米晶须；（6）调节pH：混合步骤（4）所得所有的上清液和固体残渣，调节所得溶液的pH至0.15‑0.2；（7）稀酸水解：将步骤（6）所得溶液加入灭菌锅中115‑125℃下稀酸水解，得水解液；（8）中和反应：调节水解液的pH为中性；（9）过滤：将步骤（8）所得混合液过滤，得滤液和滤渣；（10）厌氧发酵：将发酵营养液和酵母提取物加入步骤（9）所得滤液中，得发酵液，再在30‑40℃下进行厌氧发酵48‑96h，得乙醇。

【技术特征摘要】
1.一种同步生产纤维素纳米晶须和乙醇的工艺，其特征在于，包括以下步骤：（1）备料：将浆板浸泡后撕碎；（2）打浆：将撕碎后的浆板加入PFI磨中打浆，再干燥，得浆料；（3）浓酸水解：向步骤（2）所得浆料中加入浓酸，40-60℃下进行水解反应，反应后加入水终止反应；（4）离心洗涤：离心，收集上清液，不断重复向固体残渣中加水洗涤，离心，收集上清液，直到上清液变浑浊；然后收集上层的浑浊液,继续向固体残渣中加水冲洗，离心，收集上层的浑浊液，直到上层浑浊液变澄清，再收集固体残渣；（5）透析：将步骤（4）所得浑浊液加入透析袋中透析，得纤维素纳米晶须；（6）调节pH：混合步骤（4）所得所有的上清液和固体残渣，调节所得溶液的pH至0.15-0.2；（7）稀酸水解：将步骤（6）所得溶液加入灭菌锅中115-125℃下稀酸水解，得水解液；（8）中和反应：调节水解液的pH为中性；（9）过滤：将步骤（8）所得混合液过滤，得滤液和滤渣；（10）厌氧发酵：将发酵营养液和酵母提取物加入步骤（9）所得滤液中，得发酵液，再在30-40℃下进行厌氧发酵48-96h，得乙醇。2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤（1）所述浆板为普通浆板并非溶解浆板。3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤（3）所述浓酸为硫酸，浓度为60-64wt%。4.根据权利要求1所述的工...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，杨焕磊，徐峻，莫立焕，龚杰，李霞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44