本发明专利技术公开了生物工程技术领域中一种水解木质纤维素制备木糖和阿拉伯糖的方法，该方法先用草酸水溶液对粉碎后的木质纤维素进行催化水解，反应完成后经固液分离得到木质纤维素水解液和木糖渣，水解液经中和处理后得到草酸盐沉淀，再次经固液分离后得到固体草酸盐，草酸盐在酸化罐内和硫酸作用，再生得到草酸水溶液，草酸溶液重复使用催化下一批木质纤维素原料。该发明专利技术采用草酸作为有机酸催化剂，具有转化率高、选择性强、副反应少、可回收重复使用等优点，可以取代常规的硫酸等无机酸催化剂，并解决了传统工艺的设备腐蚀、蒸发设备结垢和污染严重等问题，可用于水解木质纤维素原料中的半纤维素，用于制备木糖、阿拉伯糖。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于生物工 程
技术介绍
木质纤维素类生物质主要包括农业生物质和林业生物质，如农作物秸 秆、玉米芯、蔗渣、果核和木屑等，它们主要由半纤维素、纤维素、木质素 和一定量的其它组分组成。其中，半纤维素是指那些以非共价键方式与纤维 素连接的多糖，具有高度的分支机构，主要是由聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸组成，其含量占到木质纤维素原料的19%-35%。半纤维素经水解可以得到 木糖、阿拉伯糖和半乳糖。我国每年形成的农业废弃物高达7亿吨，其中大 部分被焚烧或抛弃处理，即浪费了大量有用资源，又造成环境污染。这些生 物质原料中的半纤维素组分可以转化为木糖和阿拉伯糖，纤维素组分可以水 解得到葡萄糖、酶解得到燃料乙醇，木质素原料可以用于制备木质素-酚共 聚物等化工产品，这些产品可以进一步用于制备木糖醇、糠醛、羟甲基糠醛、 乙酰丙酸等下游化工产品。充分利用木质生物质资源可以提高广大农业劳动 者的经济收入，减轻环境污染，缓解我国对化石原料的依耐，对我国的循环 经济和可持续发展具有重大意义。目前，半纤维素主要是采用稀酸或浓酸进行水解来制备木糖，常用的催 化剂为硫酸和盐酸。浓硫酸水解过程是用70%的硫酸，在5(TC下反应2~6h。 稀酸水解的经济性优于浓酸水解， 一般硫酸浓度为0.5%~2%，反应温度为120~125°C，水解时间为2 3小时，如果用盐酸水解，盐酸浓度可以下降到 硫酸的一半。采用无机酸作为催化剂的特点是催化剂价格便宜，工艺简单。 但是，采用硫酸等无机酸催化剂都会产生大量的废水和废渣污染环境，设备 腐蚀也很严重，需要采用不锈钢等耐酸材料，每年要进行设备检修，中和过 程还会产生微溶于水的硫酸钙，在后续蒸馏过程造成设备结垢。有机酸催化 剂具有选择性强、副反应少的优点，可以用于水解半纤维素制备木糖和阿拉 伯糖，同时可以解决设备腐蚀、污染物排放和设备结垢问题，但是，有机酸 催化水解的主要问题是催化剂价格昂贵，回收工艺复杂，木糖生产成本高。 因而，开发高效的有机酸催化剂，解决催化剂的成本问题和回收问题成为其 工业化的关键问题。目前，我国专利报道的半纤维素水解制备木糖的工艺绝大部分都是采用 硫酸作为催化剂，如中国专利200710014209.3公开了一种利用玉米皮制备 结晶木糖的工艺，采用1.5% 3.0%的硫酸或盐酸在100 125。C下沸腾水解， 用模拟移动床回收硫酸和盐酸，精制后得到结晶木糖。该工艺回收了催化剂， 但是没能解决无机酸催化的设备腐蚀和结垢问题。中国专利200810123846.9 公开了一种利用磷酸作为催化剂水解木质纤维素制备多种糖和木质素的工 艺，反应后采用中和、过滤、酸化等步骤回收磷酸催化剂，并得到半纤维素 水解糖液。但采用了有机溶剂来萃取木质素，工艺流程复杂，生成成本高。 中国专利99805686.3公开了一种利用酸水解植物纤维制备L-阿拉伯糖的方 法，文中提到了可以采用硫酸、盐酸、亚硫酸、乙酸、甲酸、草酸和柠檬酸， 但权利要求没有对酸种类进行限定，而且也没有对催化剂进行回收重复利 用。中国专利200710037882.9公开了一种利用生物原料炼制纤维素、木质 素和木糖的方法，采用低沸点的有机酸浸泡粉碎后的生物质原料，制备木糖和低聚木糖，权利要求的低沸点有机酸为三氟乙酸、三氟甲磺酸中的一种或 两种混合，但是三氟乙酸和三氟甲磺酸毒性大，价格昂贵，难于工业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用草酸催化半纤维素水解制备木糖和阿拉 伯糖的方法，并回收重复使用催化剂。所述水解木质纤维素制备木糖和阿拉伯糖的方法，先用草酸水溶液对粉碎 后的木质纤维素进行催化水解，反应完成后经固液分离得到木质纤维素水解 液和木糖渣，水解液经中和处理后得到草酸盐沉淀，再次经固液分离后得到 固体草酸盐，草酸盐在酸化罐内和硫酸作用，分离得到草酸溶液，草酸溶液重 复使用催化下一批木质纤维素原料。所述方法包括以下具体步骤1) 将准备的木质纤维素原料粉碎为粒度不小于200目的粉末后，按液固质 量比3 20与质量浓度为0.2~15%的草酸溶液在水解反应器中均匀混合，升温 加热到50 16(TC并持续反应3 240min后进行水解反应；2) 反应产物经固液分离得到木质纤维素水解液和木糖渣，再用去离子水反 复洗涤滤饼1~10次，洗涤液与固液分离后的水解液合并用于水解下一批新 鲜木质纤维素原料；3) 在中和罐内用中和剂对木质纤维素水解液经进行中和处理，再用去离子 水反复洗涤滤饼1 10次，洗涤液和固液分离后的水解液合并用于催化水解 下-批新鲜木质纤维素原料；4) 在酸化罐内用0.5~20%的稀硫酸溶液对草酸盐酸化0.2~2 h，分离得到草 酸溶液和硫酸盐后，用去离子水反复洗涤滤饼1 5次，洗涤液和固液分离后 的草酸溶液合并用于催化水解下一批新鲜木质纤维素原料。所述木质纤维素原料为玉米芯、玉米秸秆、玉米皮、甜高粱秸秆、甘蔗 渣、木屑、稻草、小麦秆、树叶、杂草或废纸中的一种或几种。所述草酸溶液为新鲜草酸、草酸回收液或者新鲜草酸和草酸回收液的混 合液的一种。所述中和剂摩尔用量为草酸摩尔数的0.7 1.3倍。所述升温加热方式为直接通入蒸汽升温、反应器升温、酸液预热升温或程序升温中的一种。所述固液分离方法为过滤、离心、沉降或旋液分离中的一种或几种。 所述中和剂为氢氧化钙、氧化钙、氢氧化镁、氧化镁、氢氧化铁或氧化铁中的一种或几种。所述稀硫酸摩尔用量为草酸盐摩尔数的0.8 1.3倍。 所述新鲜草酸为固体草酸直接溶解于水制得。本专利技术的有益效果1) 采用草酸作为有机酸催化剂，处理木质纤维素原料制备木糖和阿拉伯糖，半纤维素转化率可以达到75%以上，副反应少，基本不破坏纤维素 和木质素，腐蚀性小，可以减少设备投资、延长检修期、节省检修费用；2) 中和生成的草酸盐溶解度低，可以减轻蒸发过程的结垢问题；3) 草酸回收工艺简单，催化剂可以重复使用，使用寿命显著延长，基 本上没有废水废渣排放，环境效益和经济效益都较常规的硫酸水解法好4) 能解决目前木糖生产的几大难题，促进生物炼制技术的发展，经济 和社会价值显著。附图说明'图1为利用草酸水解木质纤维素制备木糖和阿拉伯糖的流程图。具体实施例方式下面的实施例对本专利技术进行详细说明，但对本专利技术没有限制。以下实施 例中的检测方法为用高效液相色谱仪配蒸发光散射检测器分析糖，色谱柱 为Aminex HPX-87H (250mmx4.6mm, 5pm)专用糖分析柱，流动相为0.00025m H2S04水溶液，流速为0.6 mL/min，蒸发光检测器漂移管温度为50 。C，氮气作 载气，压力为350kPa。实施例1取干燥的玉米芯(含半纤维素36%、纤维素41.2%、木质素6.1%、其它成 分16.7%)，粉碎后过20目标准筛，取4g玉米芯粉末加入到水解反应器中，然 后加入3。/。的草酸溶液30mL，搅拌混合，升温到125'C，反应120 min。用布什 漏斗过滤得到水解液24.3mL，分析得到木糖和何拉伯糖浓度分别为3.15%和 0.88%;洗涤滤饼5次，进一步回收木糖渣中残留的木糖、阿拉伯糖和草酸， 分析滤液浓度后计算得到木糖和阿拉伯糖的产率分别为17.07%和3.31%。在中和罐内往水解液中加入0.73g本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种水解木质纤维素制备木糖和阿拉伯糖的方法，先用草酸水溶液对粉碎后的木质纤维素进行催化水解，反应完成后经固液分离得到木质纤维素水解液和木糖渣，水解液经中和处理后得到草酸盐沉淀，再次经固液分离后得到固体草酸盐，草酸盐在酸化罐内和硫酸作用，分离得到草酸溶液，草酸溶液重复使用催化下一批木质纤维素原料，其特征在于，所述方法包括以下具体步骤： １）将准备的木质纤维素原料粉碎为粒度不小于２００目的粉末后，按液固质量比３～２０与质量浓度为０．２～１５％的草酸溶液在水解反应器中均匀混合 ，升温加热到５０～１６０℃并持续反应３～２４０ｍｉｎ后进行水解反应； ２）反应产物经固液分离得到木质纤维素水解液和木糖渣，再用去离子水反复洗涤滤饼１～１０次，洗涤液与固液分离后的水解液合并用于水解下一批新鲜木质纤维素原料； ３） 在中和罐内用中和剂对木质纤维素水解液经进行中和处理，再用去离子水反复洗涤滤饼１～１０次，洗涤液和固液分离后的水解液合并用于催化水解下一批新鲜木质纤维素原料； ４）在酸化罐内用０．５～２０％的稀硫酸溶液对草酸盐酸化０．２～２ｈ，分离得到 草酸溶液和硫酸盐后，用去离子水反复洗涤滤饼１～５次，洗涤液和固液分离后的草酸溶液合并用于催化水解下一批新鲜木质纤维素原料。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李十中，刘学军，李天成，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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