一种高效分离木质纤维材料获得高纯度各组分的方法技术

本发明专利技术公开了一种高效分离木质纤维材料获得高纯度各组分的方法，该方法是从天然木质纤维材料中依次分离提取纤维素、水不溶性木聚糖、水溶性木聚糖、水不溶性木质素，将天然木质纤维材料中的纤维素、半纤维素和木质素全部分离开来并回收，制备得到高纯度、高分子量的产品。本发明专利技术的方法是在对半纤维素成分特点充分认识的基础上，对木质纤维材料进行提取分离并纯化，实现木质纤维材料中每一种组分高效率、低成本的分离利用，纤维素、水不溶性木聚糖、水溶性木聚糖、水不溶性木质素的回收率高、纯度高且利用价值高，利用本发明专利技术的方法对天然木质纤维材料进行组分分离，具有良好的经济性、可行性、生产安全性和环境友好性。

【技术实现步骤摘要】
一种高效分离木质纤维材料获得高纯度各组分的方法
本专利技术属于天然木质纤维材料利用
，具体是一种高效分离木质纤维材料获得高纯度各组分的方法。
技术介绍
质纤维材料是自然界中丰富的可再生资源，利用这类资源作为工业原料一直都备受关注。木质纤维材料由纤维素、木质素、半纤维素三大部分构成，每一组分都具有非常高的工业应用价值。自然界木质纤维材料中，纤维素由半纤维素和水不溶性木质素紧密包裹着，水不溶性木质素与半纤维素之间以化学键链接，而这种化学键通常为酯键，具有在碱性条件下不稳定的特点。因此，以一定浓度的碱液（通常为氢氧化钠）处理木质纤维材料被认为是将木质纤维材料各组分从原纤维中脱落的有效手段。纤维素是木质纤维材料的第一大成分，是葡萄糖基以β-（1→4）糖苷键连接而成的聚糖，约占植物细胞壁干重的50%。高纯度的纤维素具有广泛的工业应用价值，例如：高纯度的纤维素可以用于造纸，可以制造人造丝、赛璐玢以及硝酸酯、醋酸酯等酯类衍生物，也可制成甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素等醚类衍生物，应用于石油钻井、食品、陶瓷釉料、日化、合成洗涤、石墨制品、铅笔制造、电子、涂料、建筑建材、装饰、蚊香、烟草、造纸、橡胶、农业、胶粘剂、塑料、炸药、电工及科研器材等方面。水不溶性木质素是芳香醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇）形成的聚合物，其主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁，为次生壁主要成分。由于水不溶性木质素的分子结构中存在着芳香基、醇羟基、酚羟基、羰基等一系列活性基团，通过氧化反应、磺化反应、接枝共聚反应、缩合反应和烷基化反应等化学改性可改善水不溶性木质素的性能，用于橡胶补强、制备树脂、塑料等。此外，高纯度分子量均一性好的的水不溶性木质素是高品质石墨烯以及电容炭等产品的制备的上等原材料。木质纤维材料中纤维素之外的聚糖类通称为半纤维素，植物最重要的半纤维素为木聚糖。木聚糖的结构特征是有一条由β-(1→4)连接的木糖残基构成的主链，主链木糖基的2，3C通常还链接不同取代基形成侧链。木聚糖作为自然界中唯一五碳糖聚合物，是人类主要的膳食纤维，对人体具有不可替代的生理功能，而这种生理功能的效果与其天然大分子结构密不可分。根据木聚糖结构以及分子量的不同，木聚糖又可细分为水溶性木聚糖和水不溶性木聚糖两种，水溶性木聚糖和水不溶性木聚糖分别具备水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维的特点。例如：水溶性木聚糖具有发酵快、粘度高的特性；水不溶性木聚糖具有发酵慢能到达肠道末端、粘度低的特点；两种不同特性的木聚糖具有不同的应用范围。因此，木质纤维材料中纤维素、水不溶性木聚糖、水溶性木聚糖、水不溶性木质素各组分都具有非常高的应用价值，最经济、最环保的提取分离方式就是将木质纤维材料中每一组分逐一分开，获得高纯度的单品。特别是同时将木聚糖中水溶性部分和水不溶性部分分开，以实现最大限度利用木质纤维材料的价值。又因为大分子态分离能充分保持组分的天然特性，应用范围更广，并且对大分子态物质分离纯化，可节约提取能量，减少环境治理负担。木质纤维材料各组分分离的基本途径是：碱液浸提原料，使天然木聚糖脱去乙酰，木质素解聚而溶于碱液，固液分离回收纤维素，再从碱液中分别回收碱、木聚糖和木质素。但是，以往的分离方法很难实现碱、半纤维素（主要成分：木聚糖）、水不溶性木质素的高效分离；而且普遍没有注意到，同一原料中的木聚糖因结构的不同，实际可分为水溶、水不溶两大部分，并且以水不溶部分为主，直接将水不溶性和水溶性木聚糖一起用酒精沉淀法进行分离，分离效果不佳，酒精用量大，或者直接通过高温高碱条件将水不溶性木聚糖降解为水溶性木聚糖，然后一起沉淀溶出，得到的水溶性木聚糖相对于水不溶性木聚糖分子量更小，应用范围较窄。其次，目前很多方法并不考虑碱的回收利用，用酸直接中和碱液，产生大量的盐排出，造成难以解决的环境治理问题；或者是通过膜法分离碱，碱回收不彻底，效率低，还会破坏水不溶性木聚糖的大分子结构。申请人也检索到以下关于木质纤维材料制备纤维素、半纤维素（木聚糖）或木质素的方法的文献：专利申请CN110592292A公开了一种机械法促进生物质高效提取木糖的预处理方法，包括如下步骤：（1）将生物质原料进行螺旋挤压处理，得到原料；（2）将步骤（1）得到的原料进一步转移到盘磨中进一步处理；（3）将步骤（2）得到的原料全部转移到高压灭菌锅中，加入碱液，控制温度在120-125℃之间，保持0.5-1h，处理完毕后，将黑液与固体富纤维素部分离心分离，固体富纤维素部分进行清洗后，干燥；所述黑液中包括半纤维素、木素；所述半纤维素为木糖；（4）对步骤（3）中得到的黑液加入冰乙酸调节pH至5-6，加入乙醇进行沉淀，过滤分离，得到固体沉淀物分别进行乙醇和清水混合液洗涤，干燥，黑液中的半纤维素沉淀分离洗涤获得；所述粗糖沉淀包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖以及木质素；（5）对步骤（4）中得到的粗糖沉淀进行硫酸水解，称取研磨后粗糖用质量百分比浓度70-72%浓硫酸水解，控制恒温水浴温度30-35℃，保持1-1.5h，然后稀释至4-5%，转移到高压灭菌锅，控制温度在120-125℃，处理45min-1h，得到上清液过滤。。本专利技术利用机械法促进化学品提取木聚糖效率，同时有效的将生物质原料中的木质素分离出来，提高木聚糖的纯度，得到木质素含量较低具有用于生产本色浆潜力的富纤维素部分。应用具有木糖提取效率高、工艺简单、环境无污染等优点。虽然该专利申请也介绍了一种木质纤维材料的分离方法，但是该专利申请是以提取纤维素和木糖为主要目的，先通过碱液在高温高压下将半纤维素降解为单糖，再将纤维素、木质素、单糖依次分离开来，最后从单糖中分离出较为纯净的木糖。专利申请CN110241644A公开了一种农作物秸秆全组分分离及综合利用的方法，包括如下步骤：(1)将粉碎后的农作物秸秆，在0.05-0.2mol/L稀盐酸、硫酸或醋酸的催化作用下，利用有机酸液在70-100℃条件蒸煮2-8h；其中固液质量比为1:20；(2)进行固液分离，滤液为“A液”，滤渣水洗至中性后干燥，得到粗纤维素；(3)将所述粗纤维素加入质量分数为2-8%的过氧化氢溶液中、并调整溶液pH为10-12，40-60℃下反应3-4h；其中固液质量比为1:30；(4)进行固液分离，滤液为“B液”，滤渣水洗至中性后干燥，得到纤维素；(5)将所述“A液”和所述“B液”分别减压蒸馏后混合，并调节混合液pH为1.5-2.0，进行固液分离；滤液为“C液”，沉淀水洗至中性后干燥得到木质素；(6)调节所述“C液”pH为12，加入工业酒精后固液分离；沉淀加入上清浓缩液后干燥，得到半纤维素。本专利技术能够成功地将秸秆中纤维素、半纤维素和木质素三种组分分离出来，且三组分有较高的回收率，真正实现了秸秆的综合利用。虽然该专利申请也介绍了一种木质纤维材料的分离方法，但是其是用盐酸、硫酸或醋酸对木质纤维材料进行提取，分离得到的纤维素还需要再次经过过氧化氢溶液进行提取才能得到较为纯净的纤维素，在较低的pH值下先分离出木质素再通过醇沉法提取半纤维素，得到的半纤维素成分分子量小且纯度不高，且纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效分离木质纤维材料获得高纯度各组分的方法，其特征在于，所述方法是从天然木质纤维材料中依次分离提取纤维素、水不溶性木聚糖、水溶性木聚糖、水不溶性木质素，将天然木质纤维材料中的纤维素、半纤维素和木质素全部分离开来并回收，制备得到高纯度、高分子量的产品，步骤如下：/n（1）将天然木质纤维材料经适当破碎后，投入到质量分数为8-20%的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中浸提0.5-4h，料液比为1：8-12，浸提温度为80-120℃；浸提结束后，进行固液分离，得固相和提取液；对固相先用质量浓度为4-8%的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液洗涤1-3次，将洗涤液与提取液合并得到混合溶液A；再对固相用水洗涤至中性，脱去游离液体，即得到净化的纤维素；/n（2）对以上混合溶液A用电渗析膜进行脱碱处理，回收溶液中的碱，再用酸调节脱碱溶液pH值至6-8，用高速离心机离心处理并进行固液分离，用水对固相洗涤4-6遍，将固相干燥即得到水不溶性木聚糖；将洗涤液与离心分离得到的液相合并，浓缩至固含量>15%，得到含木质素和水溶性木聚糖的浓缩液B；/n（3）对以上浓缩液B用酸调节pH值至3-5后，加入2.5-3.5倍量体积浓度为95%的酒精对水溶性木聚糖进行醇沉，沉淀经分离出来后用体积浓度为50-80%的酒精反复洗涤至酒精无色，最后脱去游离酒精，干燥，得到水溶性木聚糖；/n（4）将步骤（3）经醇沉后分离得到的上清液与沉淀洗涤液合并，调节溶液pH值至6-8后，用高效蒸馏塔回收酒精，蒸馏塔底母液用酸中和至pH值为3-5之后，干燥，得到水不溶性木质素。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高效分离木质纤维材料获得高纯度各组分的方法，其特征在于，所述方法是从天然木质纤维材料中依次分离提取纤维素、水不溶性木聚糖、水溶性木聚糖、水不溶性木质素，将天然木质纤维材料中的纤维素、半纤维素和木质素全部分离开来并回收，制备得到高纯度、高分子量的产品，步骤如下：
（1）将天然木质纤维材料经适当破碎后，投入到质量分数为8-20%的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中浸提0.5-4h，料液比为1：8-12，浸提温度为80-120℃；浸提结束后，进行固液分离，得固相和提取液；对固相先用质量浓度为4-8%的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液洗涤1-3次，将洗涤液与提取液合并得到混合溶液A；再对固相用水洗涤至中性，脱去游离液体，即得到净化的纤维素；
（2）对以上混合溶液A用电渗析膜进行脱碱处理，回收溶液中的碱，再用酸调节脱碱溶液pH值至6-8，用高速离心机离心处理并进行固液分离，用水对固相洗涤4-6遍，将固相干燥即得到水不溶性木聚糖；将洗涤液与离心分离得到的液相合并，浓缩至固含量>15%，得到含木质素和水溶性木聚糖的浓缩液...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永昌，代兴华，卢艺芳，张永宁，李赐玉，张厚瑞，
申请(专利权)人：桂林古膳食品科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广西;45