一种包含酸回收的木质纤维素预处理的方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种木质纤维素的预处理和回收方法及其装置，将木质纤维素装入循环反应器中，并注入盐酸，打开循环泵在温度为５０℃～２００℃下进行循环反应，反应结束后向得到的水解液中加入氯盐并加热，其挥发的ＨＣｌ和产生的水蒸气被水流通过文丘里管产生的负压吸走并溶于通过的水中，通过循环流动回收水解液中的ＨＣｌ，除酸后的水解液用于发酵。本发明专利技术的方法能够有效地提高木质纤维素中半纤维素转化率、木质素去除率、纤维素酶解转化率以及减少发酵抑制产物，降低能耗，减少纤维素酶的用量，提高糖浓度，同时还能对ＨＣｌ进行回收利用，解决了环境污染问题，并同时进一步提高糖浓度以与发酵浓度相匹配。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化工领域，具体涉及一种利用盐酸进行木质纤维素预处理的 方法和设备及其酸回收的方法及设备。技术背景木质纤维素预处理是指利用化学和物理方法,使它的三种成份纤维素与 木质素、半纤维素分离开。同时打开纤维素内部氢键，成为无定型纤维素，打 断部分糖苷键,降低聚合度，水解半纤维素成木糖、阿拉伯糖等单糖，并提高 后续酶解速率。目前预处理的方法有浓酸法、稀酸温烤法、碱处理法、二氧 化硫法、过氧化物法、蒸汽爆破法、氨纤爆破法、二氧化碳爆破法、湿氧化 法、热液法等多种方法。但其中的很多方法因产率低、环境污染、运行成本 高等原因未被推广，其中较为成熟的方法仅蒸汽爆破法及稀酸温烤法两种。蒸汽爆破法(Brownell and Saddler, 1984)是在不加任何催化剂的情况下， 利用高压蒸汽(一般20(TC 23(TC)迅速升温，期间产生的乙酸及水在高温 下解离出的H+催化木质纤维素中大部分半纤维素水解，并改变纤维素的晶型 为无定型结构以有利于后续酶解。但是，由于蒸汽爆破法产生的乙酸及其他 一些酸的酸性较弱，导致催化效率较低，反应速率较慢，半纤维水解效果并 不是很理想(一般仅65% 70%左右)，并且乙酸也是一种发酵抑制产物；一 些未被转化为糖单体的糖低聚体以及一些高温时溶解的木质素会在冷却后沉 降黏附于纤维素表面，影响后续酶解；同时这些未被完全水解的糖低聚体要 用不同的酶对它们进行酶解，因此要一一利用它们显然不太现实。稀酸温烤法(Tsaoetal.， 1982)也是目前使用较为成熟的方法。用低浓 度的硫酸(1% 2%)在接近IO(TC (—般为90。C 95。C)的温度对木质纤 维素处理8 24小时，水解半纤维素并改变纤维素晶型、增大其比表面积以有利于后续酶解。但稀酸温烤法的半纤维水解率同样也不高(70% 80%)， 而且由于酸浓度太低，催化效率较低，稀酸温烤法所需反应时间较长，动力 成本消耗过大，较长的反应时间导致糖单体进一步生成糠醛、甲酸、乙酸、 羟甲基糠醛等发酵抑制产物，影响后续酶解。但是，酸浓度提高后虽然可以 提高催化效率，随之带来的环境污染问题也成为一大障碍。因此，迫切需要 寻找一种既能增加酸浓度又对环境不造成污染的新方法来替代现有的方法， 以解决这一矛盾。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种既能有效提高木质纤维 素中半纤维素转化率、纤维素酶解转化率以及减少发酵抑制产物，又能对酸 进行回收利用，减少环境污染的方法。本专利技术的另一目的是提供一种能够配合上述方法的系统。本专利技术的目的可以通过以下措施达到一种包含酸回收木质纤维素的预处理和回收方法，将木质纤维素装入循环反应器中，并注入盐酸，打开循环泵在温度为50'C 20(TC下进行循环反 应，反应结束后向得到的水解液中加入氯盐并加热，其挥发的HC1和产生的 水蒸气被高速水流通过文丘里管产生的负压吸走并溶于通过的水中，通过循 环流动回收水解液中的HC1，除酸后的水解液用于发酵。此方法具体为将木质纤维素(玉米秸杆、麦草、稻壳稻草、甘蔗渣、柳 枝、玉米叶、玉米芯等)装入循环反应器中，并注入盐酸，打开循环泵(1) 在温度为50。C 200。C(50。C 100。C常压反应，100。C 200。C氮气加压反应) 下进行循环反应，反应结束后将得到的水解液通入含有氯盐(MgCl2、 CaCl2、 NaCl或KCl)的储液蒸馏釜，其上设置文丘里管。在对储液蒸馏釜进行加热 时，由于氯盐的存在，大部分HC1及一部分水可以从反应液中挥发，启动循 环泵(2)高速水流通过文丘里管，产生负压把挥发的HC1和部分水蒸气吸 走，并溶于通过的水中，通过不断的循环流动最终达到回收反应液中HC1的 目的，时提高了糖浓度。其中所述的盐酸为质量分数为5% 15%的盐酸；木质纤维素与盐酸的固液质量比为1:5 15。循环泵1的流速为5 15L/min。反应超过IO(TC时，循环反应采用氮气 加压，加压到2 4MPa。循环泵2的流速为10 100L/min。氯盐在盐酸中的摩尔浓度为0.1 % 5%。反应结束后储液蒸馏釜内的反应液最后通过离子交换树脂除去氯盐后用 于后续发酵。循环反应器内剩余的木质纤维素(绝大部分为纤维素)用水冲 洗后取出用于后续酶解，即先用热水冲洗以除去残酸和残留的木质素，随后 取出用于后续酶解。一种木质纤维素的预处理和回收系统，包括反应器、储酸罐和储液蒸馏 釜，其中反应器的顶部通过管道与储酸罐相通，反应器的底部通过管道与储 液蒸馏釜相通，在反应器的进出口之间串接有循环泵，循环泵的入口与反应 器底部相通，循环泵的出口与设在反应器顶部的喷淋头相通；循环回收罐的 进出口分别与设置在储液蒸馏釜一个出口的文丘里管的两端相通，在循环回 收罐与文丘里管之间串接有另一个循环泵构成循环回路，其中循环回收罐的 一个出口与储酸罐的入口相通。该系统包括氮气瓶，其中氮气瓶经由管道与所述的反应器顶部相通；在 反应器的顶部设有热水入口，在所述的反应器的底部设有废液出口。其中循 环泵为防酸循环泵。反应器优选为圆柱形，上方和下方分别设有进料口和出料口；顶部和底 部均为半球状结构，顶部接有喷淋头与外部管路相连，预处理时含酸反应液 经喷淋头再回流入反应器，喷淋头除了可以让含酸反应液均匀的分布于木质 纤维素物料之上以利于反应外，还可以在常压反应时抑制水的挥发(IO(TC以 下)。反应器下方还设置了一个带孔过滤板，这样固体物料就可以通过过滤板 的阻挡留在反应器中持续反应。循环泵采用防酸循环泵。在IO(TC以上温度 反应时，还可以通过氮气瓶中氮气对整个反应体系加压以使反应正常进行。本系统除了包括预处理系统外，还包括回收系统，即文丘里管、循环回收罐和循环泵；循环回收罐的进出口分别与文丘里管的两端相通，在循环回 收罐与文丘里管之间串接有循环泵从而构成一个回收循环。储液蒸馏釜中因 加热挥发的HC1和部分水蒸气被吸入文丘里管进入回收循环并溶于循环中的 水中，回收完成后的循环回收罐内的盐酸可以直接进入储酸罐，从而为下一 次反应提供用酸。本专利技术的回收系统利用了向盐酸中加入氯盐可以提高HC1 的逃逸能力的技术，从而实现了从水解液中回收HC1的目的，图2中以CaCl2 为例说明了含有氯盐与不含氯盐之间气相中HC1与H20之间的含量差别。本专利技术的方法能够有效地提高木质纤维素中半纤维素转化率、木质素去 除率、纤维素酶解转化率以及减少发酵抑制产物，降低能耗，减少纤维素酶 的用量，提高糖浓度，同时还能对HC1进行回收利用，解决了环境污染问题， 并同时进一步提高糖浓度以与发酵浓度相匹配。本专利技术提供的这种方法通过稀盐酸循环把以往静态的反应方式变为动态 的反应方式。静态的反应方式即釜式反应在木质纤维素水解一段时间后，其 周围的糖浓度会比其他地方高出很多，这样就不利于反应平衡向生成产物的 方向进行，木质纤维素就得不到进一步的水解，而稀盐酸循环法可以通过不 銜的循环把木质纤维素附近生成的糖带走，扩散到整个反应体系中去，使得 木质纤维素附近始终保持较低的糖浓度，有利于其进一步水解；同时，采用 动态的循环法可以冲散阻挡在木质纤维素表面溶解较慢的长链木糖低聚物， 使得盐酸酸液可以更好地与木质纤维素接触以对其进行催化反应，并且可以 加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含酸回收的木质纤维素的预处理和回收方法，其特征在于将木质纤维素装入循环反应器中，并注入盐酸，打开循环泵在温度为５０℃～２００℃下进行循环反应，反应结束后向得到的水解液中加入氯盐并加热，其挥发的大部分ＨＣｌ和产生的部分水蒸气被高速水流通过文丘里管产生的负压吸走并溶于通过的水中，通过循环流动回收水解液中的ＨＣｌ，除酸后的水解液用于发酵。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾红华，严立石，黄和，张红漫，陈敬文，林增祥，高振，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，南京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]