一种秸秆半纤维素制备生物基产品及其组分全利用的方法技术

本发明专利技术公开了一种秸秆半纤维素制备生物基产品及其组分全利用的方法。本发明专利技术通过汽爆和/或酸水解相结合进行预处理使得秸秆中的半纤维素充分释放至水解液中，可以得到较高的糖液浓度，并回收了副产品糠醛和乙酸。由于直接利用秸秆中易于降解的半纤维素作为发酵原料生产丁醇、丁二酸、丁二醇、乳酸、氢气、沼气，本发明专利技术的方法可以有效地降低这些生物基产品的原料成本和生产成本。另外，本发明专利技术的方法用碱液萃取分离得到的秸秆的纤维素和木质素，可进一步生产羟甲基纤维素钠、聚醚多元醇、胶黏剂、酚醛树脂等化工产品。本发明专利技术提供的方法使秸秆中的所有组分都得到高值化利用，并且整个工艺过程中不产生废弃物和污染物。

Method for preparing biological base product and its component full utilization by straw hemicellulose

The invention discloses a method for preparing biological base products and its component full utilization by straw hemicellulose. The present invention by steam explosion and / or the combination of acid hydrolysis pretreatment makes the hemicellulose in the straw is fully released to the hydrolysis liquid, can obtain higher sugar concentration, and recovery of by-product furfural and acetic acid. Due to the direct use of easily degradable hemi cellulose in the straw as raw materials for fermentation production of butanol, butyl glycol, succinic acid, lactic acid, hydrogen and methane, the method of the invention can effectively reduce the bio based products of raw materials and production costs. In addition, the method uses alkali solution to extract cellulose and lignin from straw, and can further produce chemical products such as sodium hydroxymethyl cellulose, polyether polyol, adhesive, phenolic resin and the like. The method provided by the invention enables all components in the straw to be highly valued, and wastes and contaminants are not generated throughout the process.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于秸杆资源综合利用领域，特别涉及一种秸杆半纤维素制备生物基产品及其组分全利用的方法。
技术介绍
中国是石油进口的大国，每年需要进口大约50%的石油。这些石油资源除大部分用于燃料的生产炼制以外，还有相当一部分用于化学品的生产。随着石油资源的日渐枯竭，全世界都把能源研究的重点转向生物燃料。除了清洁能源如沼气，氢气外，生物燃料-丁醇由于其能够与汽油以任意比进行混合，又无需对车辆经行改造，且其经济性高，可有效提高车辆的燃油效率和行驶里程等优点，得到了人们更多 的青睐，被称为第三代生物燃料。在生物基化学品方面，目前被广泛关注的主要是一些关键性平台化合物，如2，3-丁二醇。它作为添加剂，可广泛应用于油墨、化妆品、洗液、增塑剂、药物等行业，同时还具有液体燃料的性能。此外，乳酸作为一种重要的化学品，在食品、医药、化妆品、化工材料和农产品加工中也有广泛的用途。目前，这些生物基产品的大部分还是以玉米、小麦等淀粉原料为主要发酵原料，经过糖化发酵制备而成。但是以粮食为原料生产生物燃料不仅不能满足社会需求，而且会危及粮食安全。有研究人员指出，即使美国种植的所有玉米和大豆都用于生产生物能源，也只能分别满足美国社会汽油和柴油需求的12%和6%。而玉米和大豆首先要满足粮食、饲料和其他经济需求，不可能都用来生产生物燃料。中国的秸杆资源很丰富，年产量大约7亿吨，但是现在大部分没有得到有效利用。如果能利用生物炼制技术以秸杆为主要原料来生产化学品、材料和燃料，将有效地缓解国家的石油进口压力。因此，探索以非粮食类植物如秸杆为发酵原料是解决现有生物基产品可持续生产的重要途径。秸杆细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素。木质素和半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁的微细纤维之间，加固木化组织的细胞壁，也存在于细胞间层把相邻的细胞粘结在一起。纤维素是一种由葡萄糖苷通过β-1，4糖苷键连接起来的链状聚合体，可以用于生产各类化工和材料产品，还可以通过生物降解成葡萄糖用于生产各种发酵产品。半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称，如聚戊糖、聚阿拉伯糖、聚甘露糖、聚半乳糖等，其中最主要的成分是聚戊糖。半纤维素的降解产物主要包括木糖、阿拉伯糖、甘露糖和少量葡萄糖，可以通过微生物转化成生物燃料如乙醇、丁醇、沼气和氢气，也可以发酵生产丁二醇、木糖醇、乳酸和单细胞蛋白。木质素是一类由苯丙烷单元通过醚键和碳-碳键连接的复杂无定型物，其本身就是一种重要的化工产品。目前，利用秸杆生产生物燃料面临的主要问题是原料预处理、酶解成本过高，原料综合利用价值低。究其原因，首先是人们往往只重视秸杆中难以降解的纤维素的利用，而对秸杆中含量占25% -35%的半纤维素资源视而不见。实际上，通过汽爆预处理和稀酸预处理可以有效的将半纤维素降解脱除，剩下木质素和纤维素，再经过碱处理后可分别得到木质素与纤维素。秸杆中的纤维素由于其特殊的化学结构，在材料品工业中有巨大的市场价值，但是在实际中人们往往是将其完全降解，而忽视其功能特性，导致降解成本高而产值低的问题。另外，秸杆中的木质素往往被人们当作燃料直接燃烧，而实际上经过加工后的木质素可以制成高附加值的化工原料。对比已公开的专利技术专利，美国专利号2481263公开了一种利用戊糖酸水解液直接发酵丙酮、丁醇和乙醇的方法。这个专利技术的关键创新点在于使用细铁粉和石灰石对酸水解液进行脱毒处理，然后利用闪蒸的方式对木糖液灭菌后发酵。该专利的脱毒程序需要使用大量的铁粉和石灰石，也没有考虑到原料的综合利用，在环境压力日渐增大的今天，显然不能用于工业化生产。美国专利号4424275公开了一种利用丁醇的连续化生产方法，其特点在于用溶剂萃取法对丁醇先进行连续的提取然后结合蒸馏对萃取溶剂进行回收会用，该专利虽然对发酵方法进行了革新，但是对原料的问题却没有太多的涉及。美国专利号4539293 公开了一种利用 Clostridium pasteurianum 和 C. Butylicum 进行共发酵来提高丁醇产量和丁醇在溶剂中的比例的方法，但是该专利对发酵原料没有创新工作。美国专利号4649112公开了一种C. acetobutylicum直接发酵玉米皮纤维或玉米皮纤维和木聚糖的混合物为丁醇的方法，这种方法虽然省略了预水解的步骤，但是发酵微生物实际上主要利用原料中所含的淀粉进行发酵，这样也限制了发酵丁醇的原料种类。美国专利号4777135公开了一种在丁醇的发酵液中添加氟碳化合物来促进丁醇发酵的方法，该专利对原料的来源没有太多涉及。美国专利号5063156从发酵方式的角度对丁醇发酵进行改进，通过连续发酵和分批发酵的结合提高丁醇发酵过程中丁醇在所有产物中的比例。公开号为CN101434968A的中国专利公开了一种用木薯粉生产燃料丁醇的方法，木薯虽然属于非粮原料，但是木薯的种植仍然需要大量的土地，报到也指出在广西的木薯酒精开始生产之后，木薯的原料价格开始飞涨，导致木薯酒精的成本高于市场价格，用木薯生产丁醇同样也可能碰到同样的问题。因此，探索用秸杆类纤维素原料来生产丁醇将会是更好的生产路线。公开号为CN101358218A的中国专利技术专利公开了一种利用秸杆生产戊糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，公开号为CN101358214A的中国专利技术专利公开了一种利用秸杆生产糠醛耦合联产丙酮和丁醇的方法。这两个专利以秸杆为原料，通过水解后将秸杆中的半纤维素转化为五碳糖或糠醛，剩余的水解物再经过处理后酶解为葡萄糖后发酵生产丁醇。这种方法虽然也可以生产丁醇，但是目前看来纤维素降解为葡萄糖的过程需要的纤维素酶的生产成本居高不下，采用这种路线来生产丁醇，其生产成本偏高，作为燃料丁醇来使用，难以为市场所接受。因此，需要更廉价和简便的原料预处理工艺来提高秸杆的利用率和降解效率，提高产物的得率并同时降低生产成本的方法。
技术实现思路
针对秸杆纤维素降解成本高，导致发酵生物燃料等产品的成本高的问题，本专利技术的目的是提供一种改进的秸杆预处理方法，为生产低成本的秸杆发酵产品提供一条新的技术路线，同时实现秸杆资源的高值化利用。为此本专利技术人进行了大量的研究工作，发现利用半纤维素易于被汽爆预处理和稀酸预处理降解的特点，可以直接采用半纤维素作为发酵原料，从而降低生物基产品的生产成本，将纤维素和木质素的利用方式简单化。同时专利技术人出人意料地发现，当在一定的条件下将汽爆和稀酸相结合对秸杆预处理时，可以获得更好的秸杆利用率。因此，本专利技术包括了秸杆半纤维素的降解，秸杆半纤维素降解液制备生物基产品，以及秸杆纤维素和木质素的分离三个方面。在第一个方面，本专利技术提供了秸杆半纤维素的降解方法，该方法包括两种处理方式(I)水浸泡、汽爆处理结合酸处理方式；(2)酸浸泡结合汽爆处理方式。所述水浸泡、汽爆处理结合酸处理方式包括以下步骤I)预处理秸杆将秸杆浸泡在水中 ，2)汽爆处理将步骤I)中浸泡的秸杆送入汽爆罐中，维持一定汽爆压力和时间后并放出经汽爆的秸杆物料，3)酸处理将步骤2)中获得的经汽爆的秸杆物料送入预先装有稀酸的酸水解罐中进行酸水解获得水解物料，4)收集产物酸水解结束后，过滤步骤3)所获得的水解物料得到水解液，收集水解残渣用挤压机挤压得到固形物。所述酸浸泡结合汽爆处理方式包括以下步骤I)预处理秸杆将秸杆浸泡在稀酸中，2)汽爆处理将本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种秸秆半纤维素制备生物基产品及其组分全利用的方法，包括以下步骤：１）预处理秸秆：将秸秆浸泡在水中，其中秸秆与水的质量比为１∶１～１∶３，浸泡的温度为１５℃～９０℃，浸泡时间为１０ｍｉｎ～６０ｍｉｎ，２）汽爆处理：将步骤１）中浸泡的秸秆送入汽爆罐中，维持一定汽爆压力和时间后并放出经汽爆的秸秆物料，其中汽爆压力为０．３ＭＰａ～２．０ＭＰａ，优选０．５～１．０ＭＰａ，维压时间１ｍｉｎ～１０ｍｉｎ，３）酸处理：将步骤２）中获得的经汽爆的秸秆物料送入预先装有０．８～１．６％稀酸的酸水解罐中进行酸水解获得水解物料，在酸水解罐中的汽爆秸秆与稀酸的质量比１∶２～１∶７，反应温度为７５℃～１０５℃，反应时间为１０ｍｉｎ～６０ｍｉｎ，４）收集产物：酸水解结束后，过滤步骤３）所获得的水解物料得到水解液，收集水解残渣用挤压机挤压得到固形物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪章，王岚，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：11