一种玉米秸秆的高效分离与转化方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种玉米秸秆的高效分离与转化方法，其包括：(1)半纤维素的分离与转化；(2)纤维素的分离与转化；(3)木质素的分离。本发明专利技术提供了一种系统的玉米秸秆的高效分离和转化的方法，有效的利用玉米秸秆作为原料，生产高附加值的能源化学品、材料。其中，玉米秸秆当中的半纤维素被分离转化为糠醛，且糠醛得率较高；纤维素被分离转化为高浓度的葡萄糖液；分离得到的木质素，经过鉴定其结构较完整。本发明专利技术可以有效的提高三大组分的分离效率与利用率，对于玉米秸秆生物质资源利用和环境保护具有重要意义。

An Efficient Method for Separation and Conversion of Corn Straw

The invention aims to provide an efficient separation and transformation method of corn straw, which includes: (1) separation and transformation of hemicellulose; (2) separation and transformation of cellulose; (3) separation of lignin. The invention provides a systematic method for efficient separation and transformation of corn straw, which effectively uses corn straw as raw material to produce energy chemicals and materials with high added value. Among them, hemicellulose from corn straw was separated into furfural, and furfural yield was higher; cellulose was separated into high concentration of glucose solution; lignin was separated, and its structure was identified to be more complete. The invention can effectively improve the separation efficiency and utilization ratio of the three major components, and has important significance for the utilization of biomass resources of corn straw and environmental protection.

【技术实现步骤摘要】
一种玉米秸秆的高效分离与转化方法
本专利技术属于生物质全组分分离与转化利用领域，具体涉及一种玉米秸秆的高效分离与转化方法。
技术介绍
中国是玉米种植经济发展大国，在玉米增产的同时，每年废弃的玉米秸秆的总量可达数亿吨。玉米秸秆作为粮食的副产品，具有可再生、环保、大量供应等优点，是一种极具吸引力的石油资源替代品。另一方面，大量的玉米秸秆没有得到有效的利用，没有经过系统处理就直接排放到生态系统中去，成为了农林秸秆废弃物，造成了资源的浪费和环境的污染，原本绿色、环境友好的玉米秸秆对土壤、大气、微生物等造成了负面影响。因此，如何有效的利用玉米秸秆作为原料，生产高附加值的能源化学品、材料，对于环境保护具有重要意义。玉米秸秆是木质纤维生物质的一种，主要含有纤维素、半纤维素和木质素三种组份。一般来说，纤维素通常被水解发酵为生物乙醇，而半纤维素和木质素可以转化为高附加值的化学品和产品，如糠醛。目前，现有对玉米秸秆分离转化的技术，很难实现对纤维素、半纤维素及木质素三大组分进行高效的分离与转化。其中，以利用玉米秸秆中半纤维素生产糠醛为主的工业过程，大多数是在水的单相体系中使用强无机酸作为催化剂进行的，例如硫酸或盐酸。然而利用无机酸作为催化剂存在着诸多缺点，如纤维素分解程度较高导致难以进行后续利用、无机酸对设备腐蚀严重、安全问题显著等。同时，在水的单相体系中，糠醛一旦形成，特别容易通过树脂化反应和缩合反应降解，降解产物为黑色不溶性副产物腐植质，严重影响糠醛得率。利用有机溶剂和氯化钠溶液构成双相体系，对生物质原料进行预处理，可以有效的提高糠醛产率，其原理是糠醛形成后，通过将糠醛萃取到有机相中，使降解反应降到最低，避免后续的不利影响。玉米秸秆在经过有机溶剂和氯化钠溶液组成的双相体系处理后，富含糠醛的有机相很容易与水相分离开，使得富含催化剂的水相可以进行重复利用，留下富含纤维素的固体残留物用于进一步发酵。本专利技术的目的是开发一种系统的玉米秸秆的高效分离和转化的方法，以期获得较高的糠醛得率和酶解效率，以及结构完整的木质素，达到玉米秸秆中纤维素、半纤维素、木质素三大组份的高效分离与转化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种玉米秸秆的高效分离与转化方法。该方法操作简单，在利用玉米秸秆中的半纤维素得到糠醛的同时，被大量保留在第一固体当中的纤维素在后续的第一酶解过程中有较高的酶解效率，并且在酶解后依然留在第二固体当中的木质素结构相对完整。本专利技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：1、依据本专利技术提出的一种玉米秸秆的高效分离与转化方法，包括以下步骤：半纤维素的分离与转化：将玉米秸秆粉碎至20-80目，与有机溶剂和氯化钠溶液所组成的双相体系进行共混，加入催化剂，快速升温至第一温度进行第一反应，反应结束后，首先进行第一固液分离，得到第一固体和第一液体，然后对第一液体进行有机相和水相的分离，得到第一有机相与第一水相，其中，半纤维素转化为糠醛存在于第一有机相当中，富含催化剂的第一水相可以进行重复利用；纤维素的分离与转化：将所得第一固体置于乙酸-乙酸钠缓冲液中进行第一浸渍，然后加入纤维素酶，进行第一酶解，随后进行第二固液分离，得到第二固体和第二液体，其中纤维素转化为葡萄糖存在于第二液体中；木质素的分离：使用乙酸-乙酸钠缓冲液对第二固体充分清洗，然后进行干燥，其中，木质素以固体形式存在于第二固体中。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现：优选的，前述的制备方法，其中所述半纤维素分离与转化温度为160-180℃，所述反应时间为30-60分钟，所述催化剂浓度为0.05-0.50mol/L。优选的，前述的制备方法，其中所述乙酸-乙酸钠缓冲液浓度为50mmol/L，pH为4.7-4.9；所使用浸渍时间为12-24小时；所使用固体残余物与乙酸钠溶液的固液比为1:20-50g/mL；所使用纤维素酶的酶活为每克底物中含有15-20个滤纸酶活单位；所述酶解时间为36-72小时，温度为50-55℃。本专利技术的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现：依据本专利技术提出的一种玉米秸秆的高效分离与转化方法，所述的玉米秸秆的高效分离与转化可通过上述任一项所述的方法实现。借由上述技术方案，本专利技术的玉米秸秆的高效分离与转化方法至少具有下列优点：(1)与传统酸催化剂脱水制备糠醛相比，使用同时具有布朗斯特酸性和路易斯酸性的金属硝酸盐作为催化剂，可在提高糠醛得率的同时，降低对纤维素和木质素的破坏程度。(2)与传统的水的单相体系预处理相比，有机溶剂与水的双相体系可在糠醛在水相中形成的同时，将其提取到第一有机相中，有效的减少了糠醛的树脂化反应和缩合反应，避免了腐殖质的大量产生，有效的提高了糠醛的得率。(3)与传统方法相比，半纤维素转化为糠醛后的固体废弃物可以经过酶解得到高浓度的葡萄糖液，实现了对纤维素的有效利用，且在酶解后仍被大量保留在第二固体当中的木质素，结构保留较完整。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例详细说明如后。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本专利技术提出的一种玉米秸秆的综合利用方法其具体实施方式、特征及其性能，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。本专利技术实施例提出了一种玉米秸秆的高效分离与转化方法。该制备方法包括以下步骤：半纤维素的分离与转化：将玉米秸秆粉碎至20-80目，甲基异丁基酮或四氢呋喃和浓度为10-30wt％氯化钠溶液按照1:0.5-2.0的比例组成双相体系，将玉米秸秆与双相体系进行共混，加入0.01-1.00mol/L的金属硝酸盐作催化剂，快速升温至120-200℃进行第一反应，反应温度为120-200℃，反应时间为15-150分钟。反应结束后，首先进行第一固液分离，得到第一固体和第一液体，然后对第一液体进行有机相和水相的分离，得到第一有机相与第一水相，其中，半纤维素转化为糠醛存在于第一有机相当中，富含催化剂的第一水相可以进行重复利用；纤维素的分离与转化：将所得第一固体置于浓度为50mmol/L，pH为4.6-5.0的乙酸-乙酸钠缓冲液中进行12-24小时的第一浸渍，第一固体与乙酸-乙酸钠缓冲液的固液比为1:20-50g/mL，然后加入纤维素酶，纤维素酶的酶活为每克底物中含有10-20个滤纸酶活单位，在40-60℃的环境中进行3-72小时第一酶解，随后进行第二固液分离，得到第二固体和第二液体，其中纤维素转化为葡萄糖存在于第二液体中；木质素的分离：使用乙酸-乙酸钠缓冲液对第二固体充分清洗，然后进行干燥，其中，木质素以固体形式存在于第二固体中。下面以具体的实施例对本专利技术做进一步说明，但不作为本专利技术的限定。实施例1半纤维素的分离与转化：将玉米秸秆粉碎至20-80目，甲基异丁基酮和浓度为20wt％氯化钠溶液按照1:1的比例组成双相体系，将玉米秸秆与双相体系进行共混，加入0.05mol/L的硝酸铬作为催化剂，快速升温至160℃进行第一反应，反应温度为160℃，反应时间为30分钟。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种玉米秸秆的高效分离与转化方法，其特征在于，包括以下步骤：半纤维素的分离与转化：将玉米秸秆粉碎至20‑80目，与有机溶剂和氯化钠溶液所组成的双相体系进行共混，加入催化剂，快速升温至第一温度进行第一反应，反应结束后，首先进行第一固液分离，得到第一固体和第一液体，然后对第一液体进行有机相和水相的分离，得到第一有机相与第一水相，其中，半纤维素转化为糠醛存在于第一有机相当中，富含催化剂的第一水相可以进行重复利用；纤维素的分离与转化：将所得第一固体置于乙酸‑乙酸钠缓冲液中进行第一浸渍，然后加入纤维素酶，进行第一酶解，随后进行第二固液分离，得到第二固体和第二液体，其中纤维素转化为葡萄糖存在于第二液体中；木质素的分离：使用乙酸‑乙酸钠缓冲液对第二固体充分清洗，然后进行干燥，其中，木质素以固体形式存在于第二固体中。

【技术特征摘要】
1.一种玉米秸秆的高效分离与转化方法，其特征在于，包括以下步骤：半纤维素的分离与转化：将玉米秸秆粉碎至20-80目，与有机溶剂和氯化钠溶液所组成的双相体系进行共混，加入催化剂，快速升温至第一温度进行第一反应，反应结束后，首先进行第一固液分离，得到第一固体和第一液体，然后对第一液体进行有机相和水相的分离，得到第一有机相与第一水相，其中，半纤维素转化为糠醛存在于第一有机相当中，富含催化剂的第一水相可以进行重复利用；纤维素的分离与转化：将所得第一固体置于乙酸-乙酸钠缓冲液中进行第一浸渍，然后加入纤维素酶，进行第一酶解，随后进行第二固液分离，得到第二固体和第二液体，其中纤维素转化为葡萄糖存在于第二液体中；木质素的分离：使用乙酸-乙酸钠缓冲液对第二固体充分清洗，然后进行干燥，其中，木质素以固体形式存在于第二固体中。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂为...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙润仓，孙少妮，李宜静，曹学飞，袁同琦，庞博，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11