一种低温汽爆处理的秸秆纤维素的综合利用方法技术

本发明专利技术提供了一种低温汽爆处理的秸秆纤维素的综合利用方法。该方法在水汽条件下以压缩空气提供主要压力对秸秆纤维素进行汽爆处理，在保证破坏木质素紧凑的物理结构的同时，较低温度下操作并不破坏纤维素和半纤维素的化学结构，使得纤维素和半纤维素得到最大程度的保留，能够更好地用于水解和酶解制备能源化学品。

【技术实现步骤摘要】
一种低温汽爆处理的秸秆纤维素的综合利用方法
本专利技术涉及一种秸秆纤维素的综合利用方法，具体的说是采用低温汽爆的方法处理秸秆纤维素，并将处理后的秸秆纤维素通过水解、生物发酵和催化转化过程，获得乙二醇、1,2-丙二醇、乙醇的方法。
技术介绍
1,2-丙二醇、乙二醇是重要的聚酯合成原料，例如，乙二醇用于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，还可以用作防冻剂、润滑剂、增塑剂、表面活性剂等，是用途广泛的有机化工原料。1,2-丙二醇广泛用于食品、医药和化妆品工业中，作为抗冻剂、润滑剂和溶剂使用。乙醇更是一种重要的能源化学品。长期以来1,2-丙二醇、乙二醇的工业生产主要是采用石油原料路线，即丙烯或乙烯环氧化后得到环氧丙烷、环氧乙烷，然后水合得到1,2-丙二醇和乙二醇。合成方法依赖于化石资源，原料储量及成本受限制且不可再生。而且生产过程中包括环氧化和水合等催化过程，路线长、效率低。利用具有可再生性的生物质资源制备乙醇、乙二醇和1,2-丙二醇，可以减少人类对化石能源物质的依赖，有利于实现环境友好和经济可持续发展。发展以生物质路线制备乙醇、乙二醇和1,2-丙二醇技术，不仅可以在一定程度上降低对石油资源的依赖，同时，有助于实现农产品深加工制高附加值化学品。秸秆纤维素主要成分为木质素、纤维素和半纤维素，统称为木质纤维素。纤维素和半纤维素可以在酸或酶的作用下降解为糖或更小分子的醇类、醛类和酮类。而在秸秆纤维素的情况下，纤维素和半纤维素被木质素包裹，使其更具化学耐受性和难以接近酶，变得很难降解，因此在酸解或酶解前，应该对其进行预处理。预处理木质纤维素的传统方法主要有粉碎或球磨法、高温蒸煮法和蒸汽爆破法等。这些方法在预处理木质纤维素时，通常都有能耗高、化学品消耗量大等缺点，目前已进行大量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/或在高温高压时使用化学药品，通过化学作用处理木质纤维素。这些方法虽然能够较好的消除木质素的包裹作用及脱除木质素，但是在苛刻的条件下极易造成纤维素和半纤维素的流失，使下一步酸解和酶解的产物收率降低。CN101134970公开的一种木质纤维素的处理方法，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。CN101230546公开了一种木质纤维素的联合预处理方法，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。酸碱的使用使得实际操作中对设备要求高、废水量大且污染严重。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(CN1327972)，但该方法使用时液固比高且浸润时间长，化学药品消耗量大且耗时。CN101182551A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。CN101255479公开了一种将化学处理与机械粉碎相结合的高效糖化方法，其包括对木质纤维素原料进行粗粉碎(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1-4h。该方法虽然不需要加入蒸汽而进行常温条件下的预处理，但是碱的预处理在脱除木质素的同时，也消耗掉大部分半纤维素。河南天冠(CN101200734)和中科院过程工程研究所(CN1806945)分别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(汽爆)法是目前比较常用的一种生物质预处理方法，其处理过程为：把原料加入到耐压容器中，通入蒸汽直至达到需要的温度或压力(1.0-2.0MPa，即180-220℃)，保持一段时间，然后突然爆炸减压。这种方法可以脱除一定的木质素，虽然没有使用化学药品，但蒸汽消耗量大，设备要求高。其主要缺点为在高温高压蒸汽中，木质素、纤维素和半纤维素的化学结构遭到破坏，在脱除木质素的同时会造成部分纤维素和大部分半纤维素水解，不能很好的保留纤维素和半纤维素。US4461648公开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都造成费用过高，难以实现产业化。综上，目前对木质纤维素的预处理及利用中存在的问题为：酸或碱处理的条件苛刻，用水量大，能耗高，且容易产生副产物及浪费纤维素和半纤维素；单纯的机械处理(例如粉碎或湿法研磨)的效率低，能耗高且处理效果较差；高温高压蒸汽爆破处理的能耗高，脱除木质素的同时损失纤维素和半纤维素。本专利技术提供的方法以蒸汽爆破法为基础，通过引入压缩空气的方式来提高爆破罐压力，从而降低蒸汽温度，在保证有效破除木质素物理结构的同时，最大程度的保留了纤维素和半纤维素，使之能够高效的用于更进一步的转化中。
技术实现思路
本专利技术提供了一种低温汽爆处理的秸秆纤维素的综合利用方法。该方法在水汽条件下以压缩空气提供主要压力对秸秆纤维素进行汽爆处理，在保证破坏木质素紧凑的物理结构的同时，较低温度下操作并不破坏纤维素和半纤维素的化学结构，使得纤维素和半纤维素得到最大程度的保留，能够更好地用于水解和酶解制备能源化学品。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：采用低温汽爆的方式处理秸秆纤维素，将处理后的秸秆纤维素用于水解和酶解及催化转化过程，生产乙二醇、1,2-丙二醇、乙醇产品；具体工艺过程为：1)将秸秆纤维素原料初步切割为碎段后至于汽爆罐内，加水至含水量在10-50％，并升温至100-150℃，再通入压缩空气升压至1-5MPa，保持温度和压力0.5-30min后骤然释放罐内压力至常压，将秸秆纤维素原料爆破为絮状纤维；2)用稀酸水溶液对爆破后的原料进行处理，将半纤维素水解为富含木糖的水解液，过滤分别收集木糖水解液和固体；3)将步骤2)得到的固体用于酶解，过滤得到酶解葡萄糖液及木质素残渣；酶解葡萄糖液发酵得到纤维素乙醇，或酶解葡萄糖液再用于催化转化反应；4)将步骤2)或3)得到的木糖水解液或酶解葡萄糖液，置于高压反应釜中用于催化转化反应，所采用的催化剂为复合催化剂，包括催化剂A和催化剂B；催化剂A的活性成分为第8、9、10族的过渡金属铁、钴、镍、钌、铑、钯、铱、铂中的一种或几种；催化剂B的活性成分为钨的无机化合物、有机化合物、络合物或钨单质中的一种或几种，或碱性化合物；于反应釜搅拌反应，反应前反应釜中充填氢气，反应温度>140℃，反应时间不少于1分钟。所述稀酸水溶液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或几种，其中以盐酸和硫酸为优选；酸浓度在0.1-5wt％之间，温度在80-160℃之间，酸解时间为10-120min。步骤2)得到的固体反复水洗后，与pH＝4.5-6.5的硫酸溶液按照1：1-5的重量比混合均匀，加入固体重量4-8％的液体纤维素酶，在25-55℃下酶解24-72h，得到富含葡萄糖的酶解液，过滤除去残渣，主要成分为木质素，得到酶解葡萄糖液。在酶解葡萄糖液中加入酒化酶，在20-40℃下发酵24-72h，得到乙醇水溶液，进一步蒸馏可得到纤维素乙醇。酶解葡萄糖液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温汽爆处理的秸秆纤维素的综合利用方法，其特征在于：采用低温汽爆的方式处理秸秆纤维素，将处理后的秸秆纤维素用于水解和酶解及催化转化过程，生产乙二醇、1,2‑丙二醇、乙醇产品；具体工艺过程为：1)将秸秆纤维素原料初步切割为碎段后至于汽爆罐内，加水至含水量在10‑50％，并升温至100‑150℃，再通入压缩空气升压至1‑5MPa，保持温度和压力0.5‑30min后骤然释放罐内压力至常压，将秸秆纤维素原料爆破为絮状纤维；2)用稀酸水溶液对爆破后的原料进行处理，将半纤维素水解为富含木糖的水解液，过滤分别收集木糖水解液和固体；3)将步骤2)得到的固体用于酶解，过滤得到酶解葡萄糖液及木质素残渣；酶解葡萄糖液发酵得到纤维素乙醇，或酶解葡萄糖液再用于催化转化反应；4)将步骤2)或3)得到的木糖水解液或酶解葡萄糖液，置于高压反应釜中用于催化转化反应，所采用的催化剂为复合催化剂，包括催化剂A和催化剂B；催化剂A的活性成分为第8、9、10族的过渡金属铁、钴、镍、钌、铑、钯、铱、铂中的一种或几种；催化剂B的活性成分为钨的无机化合物、有机化合物、络合物或钨单质中的一种或几种，或碱性化合物；于反应釜搅拌反应，反应前反应釜中充填氢气，反应温度>140℃，反应时间不少于1分钟。...

【技术特征摘要】
1.一种低温汽爆处理的秸秆纤维素的综合利用方法，其特征在于：采用低温汽爆的方式处理秸秆纤维素，将处理后的秸秆纤维素用于水解和酶解及催化转化过程，生产乙二醇、1,2-丙二醇、乙醇产品；具体工艺过程为：1)将秸秆纤维素原料初步切割为碎段后至于汽爆罐内，加水至含水量在10-50％，并升温至100-150℃，再通入压缩空气升压至1-5MPa，保持温度和压力0.5-30min后骤然释放罐内压力至常压，将秸秆纤维素原料爆破为絮状纤维；2)用稀酸水溶液对爆破后的原料进行处理，将半纤维素水解为富含木糖的水解液，过滤分别收集木糖水解液和固体；3)将步骤2)得到的固体用于酶解，过滤得到酶解葡萄糖液及木质素残渣；酶解葡萄糖液发酵得到纤维素乙醇，或酶解葡萄糖液再用于催化转化反应；4)将步骤2)或3)得到的木糖水解液或酶解葡萄糖液，置于高压反应釜中用于催化转化反应，所采用的催化剂为复合催化剂，包括催化剂A和催化剂B；催化剂A的活性成分为第8、9、10族的过渡金属铁、钴、镍、钌、铑、钯、铱、铂中的一种或几种；催化剂B的活性成分为钨的无机化合物、有机化合物、络合物或钨单质中的一种或几种，或碱性化合物；于反应釜搅拌反应，反应前反应釜中充填氢气，反应温度>140℃，反应时间不少于1分钟。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述稀酸水溶液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或几种，其中以盐酸和硫酸为优选；酸浓度在0.1-5wt％之间，温度在80-160℃之间，酸解时间为10-120min。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)得到的固体反复水洗后，与pH＝4.5-6.5的硫酸溶液按照1：1-5的重量比混合均匀，加入固体重量4-8％的液体纤维素酶，在25-55℃下酶解24-72h，得到富含...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜宇，郑明远，张涛，王爱琴，王晓东，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21