酸性两相体系一锅法拆解木质纤维生物质三大组分的方法技术

本发明专利技术属于生物质化学品制备技术领域，公开了一种酸性两相体系一锅法拆解木质纤维生物质三大组分的方法。包括以下操作步骤：将一定量的酸以及经磨粉抽提后的木质纤维生物质原料加入反应罐中，再加入一定量的水溶液和有机溶液，封装于反应器中升温进行反应，反应后取出反应罐冷却至室温，即可得到富含木糖/阿拉伯糖的水溶液，溶解木质素和含有少量糠醛的有机溶液，以及剩余富含纤维素的固体残渣。本发明专利技术方法具有反应过程简单、反应效率高的特点，木糖/阿拉伯糖得率为3.12％

【技术实现步骤摘要】
酸性两相体系一锅法拆解木质纤维生物质三大组分的方法


[0001]本专利技术属于生物质化学预处理
，具体涉及一种酸性两相体系一锅法高选择性拆解木质纤维生物质三大组分的方法。

技术介绍

[0002]木质纤维生物质预处理拆解三大素可为后续其制备增值化学品如燃料乙醇、γ
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戊内酯等的生产提供强有力的技术支持，在强调发展绿色能源的今天具有十分重要的意义。
[0003]通常木质纤维生物质预处理只是将三大组分中的一种脱除，如脱除木质素，剩余成分为由半纤维素和纤维素组成的综纤维素；由于半纤维素是三大组分中最易脱除的部分，也会选择性水解去除半纤维素，剩余成分则由纤维素和木质素构成。以上，都不能一步将三大组分有效分离获得，不能分别充分利用生物质的所有组分。
[0004]基于两相体系的生物质预处理可有效将木质纤维生物质三大组分分离，又有研究将其称之为Organocat，但此时所用的酸只能是有机酸，包括草酸和呋喃二甲酸；有机相目前只有2
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甲基四氢呋喃(2
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MeTHF)一种。基于此，目前还没有其他有机酸或无机酸应用于两相体系下的生物质预处理；也没有其他来源于石油化工的其他有机溶剂被应用于该体系作为有机相；更没有两相体系预处理概念的提出。
[0005]目前有文献提出了Organocat预处理(Fractionation of lignocellulosic biomass using the OrganoCat process,Green Chem.,2015,17,3533)，但其使用的酸仅为草酸，有机溶剂只有2
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甲基四氢呋喃一种，且该文献未对比不同溶剂体积比的问题。该文献提供的方法局限性大，反应效果较差。

技术实现思路

[0006]为了弥补现有的木质纤维生物质预处理方法不能一步将生物质三大组分有效拆分并分别分离获得的不足，开发基于两相体系下的一锅法酸水解预处理具有广阔的应用前景。
[0007]本专利技术的目的在于提供一种两相体系下的一锅法酸水解预处理的方法，实现半纤维素、木质素和纤维素的高选择性拆解及组分定向迁移不同相。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0009]一种酸性两相体系一锅法高选择性拆解木质纤维生物质三大组分的方法，包括以下步骤：
[0010]在反应罐中加入经磨粉抽提后的木质纤维生物质原料、酸，加入有机溶剂和水溶液，反应罐封装在反应器中并升温进行反应，反应结束后的反应罐冷却至室温，即可得到富含木糖/阿拉伯糖的水溶液，富含木质素或者木质素和糠醛的有机溶液，以及富含纤维素的固体残渣。最终产物为黄色或深棕色的分层溶液，固体残渣分散于底部。
[0011]优选的，所述木质纤维生物质原料包括麦草秸秆、玉米秸秆、木材、灌木等。
[0012]优选的，所述酸为有机酸或无机酸，其中，有机酸包括对甲苯磺酸、草酸、呋喃二甲酸、L
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苹果酸、丙二酸、顺丁烯二酸、酒石酸等，无机酸包括硫酸、盐酸等。
[0013]优选的，所述酸的浓度为0.05M～1M。
[0014]优选的，所述有机溶剂包括异丁醇、2
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甲基四氢呋喃、甲苯、甲基异丁基酮、环戊基甲醚、2
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丁醇等。
[0015]优选的，所述有机溶剂和水溶液的加入量之比(体积比)为0.2～5.0。
[0016]优选的，所述木质纤维生物质原料的加入量与有机溶剂和水溶液总体积的液固比为10～30。
[0017]优选的，所述反应温度为80～180℃，反应时间为0.25～8h。
[0018]优选的，所述反应器可以为置于油浴中的压力反应釜、带磁力搅拌的反应釜、微波反应器中的一种。
[0019]本专利技术的制备方法具有如下优点及有益效果：
[0020](1)本专利技术可以在基于有机溶剂和水溶液形成的两相体系的基础下一锅法将木质纤维生物质三大组分高选择性拆解。木质素溶解并被抽提到有机溶剂中，半纤维素水解为木糖和阿拉伯糖于水溶液中，纤维素保留在固相残渣中，实现三大组分的同时拆解及组分的定向迁移。
[0021](2)本专利技术可以分别回收获得生物质三大组分。木质素于有机溶剂中可通过反溶剂法或蒸馏法回收；纤维素残渣通过过滤回收；木糖和阿拉伯糖可从水溶液中浓缩结晶获得。
[0022](3)本专利技术是一种可以放大的反应体系，可同比例扩大反应条件进行反应，反应效果不受影响。
[0023](4)本专利技术可通过改变反应的各种条件以达到不同的分离目的，可通过更换不同的有机溶剂进行反应，如异丁醇可以更多地脱除木质素；2
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甲基四氢呋喃可更好地保护纤维素；甲苯、甲基异丁基酮和环戊基甲醚可选择性地获得高的半纤维素糖得率，但对木质素脱除较少。
[0024](5)本专利技术是一种绿色高效的木质纤维生物质预处理方法，具有反应过程简单、反应效率高的特点。木糖/阿拉伯糖得率为3.12％
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100.00％，半纤维素糖得率为6.54％
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81.90％，糠醛得率为0.00％
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50.75％，半纤维素脱除率为34.25％
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98.15％，纤维素保留率为72.26％
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97.05％，木质素脱除率为22.59％
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89.37％。
附图说明
[0025]图1为本专利技术所述一种基于两相体系的一锅法酸水解预处理拆分生物质三大组分的方法的工艺流程图。
[0026]图2为实施例1反应后水溶液的高效液相色谱图。
[0027]图3为实施例2麦草秸秆原料的扫描电镜图。
[0028]图4为实施例2反应后回收残渣的扫描电镜图。
具体实施方式
[0029]下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限
于此。
[0030]以下实施例所得的木糖/阿拉伯糖以及糠醛产物的定性及定量通过HPLC测试确定。
[0031]以下实施例木糖/阿拉伯糖浓度y＝0.0029x*z(mg/L)，式中x为HPLC所测峰面积，y为木糖/阿拉伯糖浓度，z为溶液的稀释倍数，单位mg/L。
[0032]以下实施例糠醛浓度b＝0.0024a*z(mg/L)，式中a为HPLC所测峰面积，b为糠醛浓度，z为溶液的稀释倍数，单位mg/L。
[0033]实施例1
[0034]本实施例的一种基于两相体系的一锅法酸水解预处理拆分生物质三大组分的方法，具体制备步骤如下：
[0035]在反应罐中加入1.5g经磨粉抽提后的麦草秸秆原料，15mL水溶液，15mL 2
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甲基四氢呋喃溶液，1M对甲苯磺酸。封装于反应釜中，放入已设置并升温到120℃的油浴锅中，反应3h后，将反应釜取出放在冰水浴中快速冷却至室温。得到富含木糖/阿拉伯糖的水溶液，含木质素和少量糠醛的有机溶液，以及剩余含纤维素的固体残渣。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种酸性两相体系一锅法高选择性拆解木质纤维生物质三大组分的方法，其特征在于，包括以下步骤：在反应罐中加入经磨粉抽提后的木质纤维生物质原料、酸，加入有机溶剂和水溶液，反应罐封装在反应器中并升温进行反应，反应结束后的反应罐冷却至室温，即可得到富含木糖/阿拉伯糖的水溶液，富含木质素或者木质素和糠醛的有机溶液，以及富含纤维素的固体残渣。2.根据权利要求1所述的一种酸性两相体系一锅法高选择性拆解木质纤维生物质三大组分的方法，其特征在于，所述木质纤维生物质原料包括麦草秸秆、玉米秸秆、木材、灌木。3.根据权利要求1所述的一种酸性两相体系一锅法高选择性拆解木质纤维生物质三大组分的方法，其特征在于，所述酸为有机酸或无机酸，其中有机酸选自对甲苯磺酸、草酸、呋喃二甲酸、L
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苹果酸、丙二酸、顺丁烯二酸、酒石酸中的一种；无机酸选自硫酸、盐酸中的一种。4.根据权利要求1所述的一种酸性两相体系一锅法高选择性拆解木质纤维生物质三大组分的方法，其特征在于，所述酸的浓度为0.05M～1M。5.根据权利要求1所述的一种酸性两相体系一锅法高选择性拆解木质纤维生物质三大组分的方法，其特征在于，所述有机溶剂为异丁醇、2
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甲基四氢呋喃、甲基异丁基酮、甲苯、环戊基甲醚、2
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丁醇中的一种。6.根据权利要求1所述的一种酸性两相体系一锅...

【专利技术属性】
技术研发人员：任俊莉，詹琪雯，刘遥，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：