本发明专利技术公开了一种溶解和快速水解木质纤维素生物质的方法及其设备。将木质纤维素生物质置于纯水中，并快速加热至３３０～４０３℃，３．３８～２１．７９秒内，８９～９９％木质纤维素溶解和快速水解为糖类。木质纤维素生物质的溶解，使得后续的水解反应能够在均相的条件下进行。同时，溶剂化的生物质可以很方便地应用于高压流动式的反应器，连续预处理生物质、水解生产糖类、别的生物燃料和产品。本发明专利技术不用任何催化剂，不造成环境污染，工艺简便，成本低廉，属于国家鼓励的绿色可持续的产业，具有良好的市场应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物质溶解和水解
，具体涉及一种溶解和快速水解木质纤维 素生物质的方法。同时，本专利技术还涉及该快速水解方法使用的设备以及进一步应用。
技术介绍
自然界中的木质纤维素生物质如木材和草类，大约是由50%的纤维素，25%的半 纤维素和20%的木质素组成。其中纤维素主要用于造纸，同时，纤维素和半纤维素经水 解能够降解为糖类，进而用于生产酒精。现有的木质纤维素生物质溶解方法主要使用间 歇式或半连续式渗透反应器，在200°C 300°C下溶解反应15分钟。该方法只能将大约 40% 60%的木材或草类溶解并水解为水溶性的物质，不仅生产效率很低，而且反应时间 过长，易造成糖类产品的二次分解。最新研究表明，高压热水是一种弱极性溶剂，既呈酸 性也呈碱性，因而它能溶解生物质，并使水解反应在均相中进行。Sasaki等人发现，纤维 素在320°C和水密度大于1000kg/m3的条件下，能够完全溶于水(参见Sasaki，M. ；Fang, Z. ；Fukushima, Y. ；Adschiri, T.&Arai,K. “在亚临界和超临界水中溶解和水解纤维素”工 业工程化学研究，39，2883-2890，2000)。之后Ogihara等人进一步发现在水密度550至 1000kg/m3范围内，完全溶解纤维素的温度有一极小值320°C，发生于水密度850kg/m3。(参 见 Ogihara，Y. ；Smith Jr. , R. L. ；Inomata, H. &Kunio A. “在亚临界和超临界水中，水密 度550至1000kg/m3范围内，直接观察纤维素的溶解”纤维素，12，595 606，2005)。上述发 现均针对纯纤维素，由于天然木材或草类中只含约50%的纤维素，人工分离纤维素不仅工 艺复杂，而且成本高昂，因此难以实现工业化应用。如何实现天然木质纤维素生物质的溶 解和快速水解就成为本领域亟待解决的技术问题。在此基础上，本专利技术人经研究发现，在 纯水中加入碱性溶液后可使木质纤维素生物质如木粉在329°C 367°C中完全溶解并进行 均相水解，并据此申报了中国专利(专利号=200710141265. 3)。加入酸性或碱性溶液后， 也可使纤维素在在较低的温度下(如261 352°C )完全溶解并进行均相水解(专利号 201010104133. 5)。但上述方法中，加入酸性或碱性催化剂溶液后，会提高生产成本，并且催 化剂不易回收，易造成环境污染。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种溶解和快速水解木质纤维素生 物质的方法，该方法操作简便、成本低廉，能够实现连续化的工业生产。本专利技术的另一目的在于提供一种实现上述快速水解方法的设备。本专利技术的目的还在于提供上述快速水解木质纤维素生物质的方法在工业生产中 的进一步应用。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现。*除非另有说明，本专利技术所采用的百分数均为体积百分数。本专利技术的技术方案是基于以下认识本专利技术人深入研究后发现，在水解木质纤维 素生物质之前，先将其置于纯水溶液中，然后再将得到的混合物与高温热水混合，并以一定 的加热速率加热至一定的温度，则可以实现木质纤维素的溶解和快速水解。从而不需再使 用酸性或碱性催化剂溶液，用非常简单的方式克服了现有技术的不足。一种溶解和快速水解木质纤维素生物质的方法，包括以下步骤1、将木质纤维素生物质置于纯水中，固液体积比为0. 003 1. 05 1 ；2、将纯水加热至330 403 °C ；3、混合步骤1和2所得物置于反应器中，混合液中生物质浓度为0. 51. 5%, 设定压力为19 416MPa，或水密度为523 905kg/m3，按7 10°C /s的加热速率将混合 液加热至330 403°C，即能水解89 99%的木质纤维素生物质。所述的木质纤维素生物质包括木本植物，如柳树和松树木粉；或草本植物如芒草。上述快速水解木质纤维素生物质的方法在酒精生产中的应用，具体为待木质纤 维素生物质水解后，保持加热速率继续加热至403°C，然后自然冷却至室温，生物质中的纤 维素和半纤维素大部水解为糖类物质，包括单糖或低聚糖，将该糖类物质用于生产酒精。一种快速水解木质纤维素生物质的设备，其特征在于纯水容器通过高压泵与反 应器注料口相连，高压泵与反应器注料口之间设置有预热器，生物质物料容器通过高压泥 浆泵与反应器注料口处的纯水输送管道相连，反应器外部设置加热装置，内有超声波发生 器，生成物容器通过调压阀、固液分离器和冷却器与反应器出料口连接。所述的反应器为管式连续反应器。本专利技术与现有技术相比具有如下优点不用添加任何催化剂，生产成本得以降低， 并有效减少环境污染。由于木质纤维素生物质溶于水，使得后续的水解反应能够在均相的 条件下进行，大大促进了水解反应，抑制了热分解反应。整个溶解和水解反应的时间小于22 秒，3. 38 21. 79s秒即可溶解和快速水解89 99%木质纤维素生物质。同时，溶剂化的 木质纤维素生物质可以很方便地应用于高压流动式的反应器，连续水解生产糖类及别的生 物燃料和产品。而本专利技术提供的溶解和水解设备，可以使木质纤维素生物质和预热的高温 纯水流快速混合，因而加热速度很快(如可在0. 4秒内加热至400°C )，这样就可将木质纤 维素生物质快速加热至溶解和水解温度，避免分解，然后进行进一步地均相反应。附图说明图1为本专利技术实验用微型可视钻石反应器结构示意图(Diamond Anvil Cell ； DAC)；图2 (实验2)为柳树木粉(长度< 500 u m ；浓度34. 3% )和纯水加热至397°C和 416MPa过程中，木粉溶解和水解于纯水过程的普通光学显微镜照片(加热速率=9°C /s，水 密度=905kg/m3)；图3 (实验3)为柳树木粉(长度< 200 u m ；浓度47. 5% )和纯水加热至354°C和 19MPa过程中，木粉溶解和水解于纯水过程的普通光学显微镜照片(加热速率=8°C /s，水 密度=571kg/m3)；图4(实验4)为柳树木粉(长度彡500iim;浓度35% )和纯水加热至398°C和132MPa过程中，木粉溶解和水解于纯水过程的普通光学显微镜照片(加热速率=VC /s，水 密度=736kg/m3)；图5(实验5)为柳树木粉(长度彡300iim ；浓度27% )和纯水加热至330°C和 59MPa过程中，木粉溶解和水解于纯水过程的普通光学显微镜照片(加热速率=8°C /s，水 密度=743kg/m3)；图6为柳树木粉的相对浓度随加热温度的变化(实验1-5) (V0-初时体积浓度， V-即时体积浓度)；图7为实验产物的红外光谱吸收曲线图(实验1-5)；图8为本专利技术设备的连接示意图。图中1_纯水容器；2-高压泵；3-预热器；4-超 声波发生器；5-电加热炉；6-反应器；7-冷却器；8-固液分离器；9-调压阀；10-生成物容 器；11-生物质物料容器；12-高压泥浆泵。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步地详细说明，但它们并不是对本专利技术技 术方案的限定。可用于本专利技术的木质纤维素物质可以是木本植物或草本植物。木本植物如硬木 (18 25%木质素、24 4本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
一种溶解和快速水解木质纤维素生物质的方法，包括以下步骤(1)将木质纤维素生物质置于纯水中，固液体积比为0.003～1.05∶1；(2)将纯水加热至330～403℃；(3)混合步骤(1)和(2)所得物置于反应器中，混合液中生物质浓度为0.1％～51.5％，设定压力为19～416MPa，或水密度为523～905kg/m3，按7～10℃/s的加热速率将混合液加热至330～403℃，即能水解89～99％的木质纤维素生物质。2.权利要求1所述的溶解和快速水解木质纤维素生物质的方法在酒精生产中的应用， 具体为待木质纤维素生物质水解后，保持加热...
【专利技术属性】
技术研发人员：方真，
申请(专利权)人：中国科学院西双版纳热带植物园，
类型：发明
国别省市：53
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