一种木质纤维素绿色高效精炼系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种可发酵木质纤维素预处理剂，其包括碳源、无机酸和甜菜碱。本发明专利技术还涉及一种基于可发酵溶剂预处理木质纤维素的绿色高效精炼系统及方法。该系统及方法包含了木质纤维素的全资源化利用方案，实现了木质素、半纤维素和纤维素的全组分绿色高效精炼，提出了一种木质纤维素资源绿色高效利用的新思路，克服了提取溶剂回收处理困难的缺陷，有效的降低了工艺的成本，扩展了木质纤维素资源的加工产业链。有助于提升我国可再生木质纤维素资源的综合利用水平。极具大规模工业化生产及实际应用之价值。用之价值。用之价值。

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维素绿色高效精炼系统及方法


[0001]本专利技术属于生物化工和生物质能源领域，涉及一种木质纤维素绿色高效精炼系统及方法，具体涉及一种基于可发酵预处理剂的木质纤维素绿色高效精炼系统及方法。

技术介绍

[0002]在当今世界面临资源危机和环保危机的今天，如何解决对化石资源的依赖，寻找可再生的生物质资源利用方案，是事关我国能源战略及经济发展的重大问题。现有的能源利用结构以及传统的化学工业技术亟需升级改造，而以木质纤维素原料为主的生物炼制工艺是实现传统工业替代以及节能、降耗、减排的重要途径之一。
[0003]作为世界上最为丰富的可再生生物质资源，木质纤维素在生物燃料生产及生物制品生产方面具有巨大的潜力。但是以植物资源为主的木质纤维素在生长过程中形成的漫长过程中形成了复杂的化学成分和结构，木质素、半纤维素和纤维素形成了顽固的抗性屏障，使得微生物以及酶等难以直接发挥作用。因此，在木质纤维素资源被微生物和酶降解转化之前必须要经过有效的预处理才能实现木质纤维素资源的炼制技术产业化。当前木质纤维素的预处理相关研究已经得到大量的报道，尤其是以纤维素利用为主的燃料乙醇生产工艺已经进入产业化阶段，且市场反响良好。作为木质纤维素生物炼制的关键步骤，预处理工艺决定了整个炼制工艺的可行性。理想的预处理过程不仅要解决木质素、半纤维素和纤维素的有效分离，避免预处理过程生成对酶解发酵有抑制作用的抑制物，还要尽可能的提高糖的得率以及处理过程尽量环保。从经济角度考虑预处理的成本高是木质纤维素炼制的主要限制条件。经济效益高的预处理工艺是实现整个木质纤维素绿色高效精炼的先决条件。
[0004]传统的物理、化学预处理方式存在耗能多、成本高以及预处理废液难以处理等问题；而生物预处理方式则存在周期长、效率低等难题，这些都制约了工业化的应用。大多数的预处理过程是通过脱除原料中的半纤维素和木质素以提高酶解过程中纤维素酶与纤维素的接触面积，从而达到提高酶解效率的目的。目前以玉米秸秆等木质纤维素资源为原料的燃料乙醇生产工艺大都采用蒸汽爆破处理，仍不可避免的存在全组分利用率低、废液难处理的问题，其中的木质素组分未得到很好的利用。如何实现整个木质纤维素的全资源化利用对于提高整个木质纤维素资源利用的经济效益具有重大的意义。
[0005]近年来以木质素优先提取和利用的技术成为研究的热点，其中主要包括离子液体法、有机溶剂法以及DES提取体系等方法。这几种方法虽然对木质素结构的破坏较小，得到的木质素产品具有较高的增材利用价值，提高的木质素的利用水平。但目前未见此类以木质素优先提取利用的生物炼制工艺产业化的报道，仅限于实验室规模，且都以研究机理为主。究其原因主要是因这些工艺存在经济成本高、溶剂回收率低、反应条件苛刻等问题，同时缺乏配套的资源化利用工艺，因此限制了其工业化应用。如何解决提取溶剂的回收或者高值化利用将能够大大的提升木质纤维素绿色高效利用的水平。因此，提出一种以可发酵溶剂进行木质素优先提取的木质纤维素预处理方案对于实现木质纤维素绿色高效生物炼制水平的提高具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术在旨在提供一种基于可发酵溶剂预处理木质纤维素的绿色高效精炼系统及方法。经试验验证，本申请提出的木质纤维素精炼方法，不仅实现了木质素、半纤维素以及纤维素的全组分高值化利用，又能克服提取溶剂回收处理困难、成本高的缺陷，因此极具大规模工业化生产及实际应用之价值。
[0007]为此，本专利技术第一方面提供了一种可发酵木质纤维素预处理剂，其包括碳源、无机酸和甜菜碱，其中，所述碳源包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和甘油中的一种或几种，优选为葡萄糖和/或甘油；所述无机酸包括硫酸、盐酸、磷酸和硝酸中的一种或几种。
[0008]在本专利技术一些具体的实施例中，以预处理剂总质量计，所述预处理剂的包括：
[0009]碳源50％
‑
80％；
[0010]无机酸0.5％
‑
5％；
[0011]甜菜碱10％
‑
40％；
[0012]水0％
‑
5％；
[0013]优选地，所述预处理剂中碳源与甜菜碱摩尔比为2:1。
[0014]在本专利技术的一些具体优选的实施例中，所述预处理剂由甘油、甜菜碱、无机酸和水组成，其中，甘油与甜菜碱的摩尔比为2:1，以预处理剂总质量计，无机酸的用量为1％，其中，所述无机酸为磷酸或硫酸。
[0015]本专利技术第二方面提供了一种木质纤维素绿色高效精炼系统，其包括依次相连的物料混合罐、高压反应釜、固体残渣分离装置、木质素分离装置、木质素提余液发酵罐、第Ⅰ发酵产品分离装置和第Ⅰ发酵产品储罐；
[0016]所述固体残渣分离装置的木质素提取液出口与木质素分离装置的进口相连；
[0017]所述木质素分离装置的木质素提余液出口与木质素提余液发酵罐的进口相连；
[0018]所述木质素精炼系统还包括与木质素储罐，其进口与木质素分离装置的木质素出口相连；
[0019]所述系统还包括木质素提取液循环管道，其一端与固液残渣分离装置出口相连，另一端与物料混合罐的进口相连，由此，物料混合罐、高压反应釜、固体残渣分离装置、木质素提取液循环管道形成木质素提取液循环回路。
[0020]所述系统还包括水分蒸发装置，其入口与木质素分离装置的木质素提余液出口相连，其非水分物料出口与物料混合罐的进口相连，由此，物料混合罐、高压反应釜、固体残渣分离装置、木质素分离装置、水分蒸发装置形成木质素提余液循环回路。
[0021]根据本专利技术的一些实施方式，所述系统还包括与固体残渣分离装置的固体残渣出口相连的酶解罐、酶解液发酵罐、第Ⅱ发酵产品分离装置和第Ⅱ发酵产品储罐。
[0022]根据本专利技术的另一些实施方式，所述系统还包括依次相连的混合液发酵罐、第Ⅲ发酵产品分离装置和第Ⅲ发酵产品储罐，所述混合液发酵罐的进口分别与木质素分离装置的木质素提余液出口和酶解罐的出口相连；所述第Ⅰ发酵产品储罐与第Ⅲ发酵产品储罐相同或者不相同。
[0023]本专利技术第三方面提供了一种利用本专利技术第二方面所述的木质纤维素绿色高效精炼系统进行木质纤维素绿色高效精炼方法，其包括：
[0024]步骤A，在物料混合罐中将预处理剂与生物质原料混合后，送入高温反应釜进行高
温预处理，获得高温预处理产物；
[0025]步骤B，通过固体残渣分离装置对高温预处理产物进行分离处理，获得木质素提取液和固体残渣；
[0026]步骤C，通过木质素分离装置对部分木质素提取液进行分离处理，获得木质素提余液和木质素；
[0027]步骤D，通过木质素提余液发酵罐对一部分木质素提余液进行发酵处理，获得木质素提余液发酵培养产物，通过第Ⅰ发酵产品分离装置对木质素提余液发酵培养产物进行分离，获得第Ⅰ发酵产品；
[0028]其中，所述预处理剂为本专利技术第一方面所述的可发酵木质纤维素预处理剂。
[0029]在本专利技术的一些实施例，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可发酵木质纤维素预处理剂，其包括碳源、无机酸和甜菜碱，其中，所述碳源包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和甘油中的一种或几种，优选为葡萄糖和/或甘油；所述无机酸包括硫酸、盐酸、磷酸、硝酸中的一种或几种。2.根据权利要求1所述的预处理剂，其特征在于，以预处理剂总质量计，所述预处理剂的包括：碳源50％
‑
80％；无机酸0.5％
‑
5％；甜菜碱10％
‑
40％；水0％
‑
5％；优选地，所述预处理剂中碳源与甜菜碱摩尔比为2:1。3.根据权利要求2所述的预处理剂，其特征在于，所述预处理剂由甘油、甜菜碱、无机酸和水组成，其中，甘油与甜菜碱的摩尔比为2:1，以预处理剂总质量计，无机酸的用量为1％，其中，所述无机酸为磷酸或硫酸。4.一种木质纤维素绿色高效精炼系统，其包括依次相连的物料混合罐、高压反应釜、固体残渣分离装置、木质素分离装置、木质素提余液发酵罐、第Ⅰ发酵产品分离装置和第Ⅰ发酵产品储罐；所述固体残渣分离装置的木质素提取液出口与木质素分离装置的进口相连；所述木质素分离装置的木质素提余液出口与木质素提余液发酵罐的进口相连；所述木质素精炼系统还包括与木质素储罐，其进口与木质素分离装置的木质素出口相连；所述系统还包括木质素提取液循环管道，其一端与固液残渣分离装置出口相连，另一端与物料混合罐的进口相连，由此，物料混合罐、高压反应釜、固体残渣分离装置、木质素提取液循环管道形成木质素提取液循环回路；所述系统还包括水分蒸发装置，其入口与木质素分离装置的木质素提余液出口相连，其非水分物料出口与物料混合罐的进口相连，由此，物料混合罐、高压反应釜、固体残渣分离装置、木质素分离装置、水分蒸发装置形成木质素提余液循环回路。5.根据权利要求4所述的木质纤维素绿色高效精炼系统，其特征在于，所述系统还包括与固体残渣分离装置的固体残渣出口相连的酶解罐、酶解液发酵罐、第Ⅱ发酵产品分离装置和第Ⅱ发酵产品储罐。6.根据权利要求5所述的木质纤维素绿色高效精炼系统，其特征在于，所述系统还包括依次相连的混合液发酵罐、第Ⅲ发...

【专利技术属性】
技术研发人员：张栩，张立鹤，王迁，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：