木质纤维素原料预处理方法技术

本发明专利技术公开了一种木质纤维素原料预处理方法，包括如下步骤：（1）将粉碎的木质纤维素原料与水充分混合后，静置2-4小时，随后将混合物转移至高压反应釜内；在惰性气体保护下，将高压反应釜从室温加热到180-240℃，然后立即通冷凝水将反应釜快速降至室温；其中强度因子为2.40-4.17，压力在对应温度的饱和蒸汽压为1.19-3.45MPa；（2）将步骤（1）得到的产物经过固液分离得到固相产物和液相产物。本发明专利技术具有成本低、对环境无污染、能耗低、半纤维素的水解率和回收率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农林生物质资源利用
，具体地说是一种木质纤维素原料预处理方法。
技术介绍
木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，从木质纤维素出发制备生物质能源和生物基化学品，逐步建立生物精炼经济模式，并结合石油炼制，实现生物精炼和石油炼制一体化，是促进我国资源和能源发展的有效对策。木质纤维素原料主要是由纤维素(38-50%)、半纤维素(23 - 32%)和木质素(15 - 25%)三大部分组成，其中纤维素是由葡萄糖聚合 而成的线性聚合物，分子内及分子间具有很强的氢键，具有一定的结晶度；半纤维素是由木糖基、甘露糖基、葡萄糖基、半乳糖等相互联接形成主链，其它糖基形成支链而联接于主链上聚合而成的具有一定分支度的复杂聚合物；木质素则是由苯丙烷基聚合而成的大分子，通过酯键和醚键与半纤维素相连。由于植物细胞壁中的复杂性及稳定性，如纤维素周围紧密镶嵌着半纤维素和木质素形成“混凝土结构”、纤维素的结晶结构、半纤维素和木质素组分成分和结构的不均一性、细胞壁外层包裹的蜡质结构等，致使生物质精炼过程存在许多瓶颈问题。为使整个生物质炼制过程经济可行、生物质各个组分的高值化利用，必须解除木质纤维素的这些天然屏障。同时为提高纤维素酶解效率，必须对生物质原料进行预处理。如何通过预处理破坏木质纤维素的顽抗特性结构，提高酶解得率受到了国内外的普遍关注。生物质预处理是木质纤维素经生物化学途径转为为燃料或化学品的关键步骤。其作用是通过改变木纤维素的结构，增加纤维素酶对纤维素的可及度，提高碳水化合物转为可发酵糖的产率和效率。由于木质纤维素的顽抗特性、纤维素酶水解得率低和纤维素酶价格昂贵等不足，寻求提高酶解糖化效率、降低酶使用成本的预处理技术，是有效解决目前制约木质纤维素生物精炼的技术瓶颈的关键途径。现有制浆造纸方法中存在以下不足(I)传统的制浆过程中，主要利用了植物纤维原料中的纤维素，而大部分的半纤维素和木素在蒸煮时会溶解在蒸煮废液中，得不到有效利用，造成资源的极大浪费；(2)将现有的制浆造纸厂转变为生物质精炼厂不仅是技术上的革新，更是思维方式上的革新，要让那些专注于生产传统纸和纸板产品的制浆造纸厂接受这种全新的生产模式可能还需要一段时间。针对这些问题，最近国内外有学者提出，在化学制浆之前先对原料中的半纤维素进行分离，从而将有利于对半纤维素进行更为有效的利用。热水预抽提技术作为一种经济、环保的生物质预处理技术，具有对设备腐蚀低、预抽提液中寡糖含量高、单糖降解率低、对纤维素破坏较小和木质素溶出较少等优点，已成为制浆造纸生物质精炼的研究中最为广泛的生物质预处理方法之一。植物纤维原料蒸煮之前，先抽提出半纤维素。这些抽提出的半纤维素可以通过水解、发酵制备燃料乙醇或直接提取乙酸等化学品，抽提后的植物纤维原料仍可用于制浆造纸(参见胡湛波，柴欣生，王景全，孔海南.以制浆造纸产业为平台的生物炼制新模式.化学进展，2008，20 (9) :1439-1446.沈葵忠，房桂干，梁芳敏，胡剑民.生物质精炼在造纸工业中的应用模式和发展趋势.江苏造纸，2010 (2) :14-20.杨恒，张素风.热水预抽提半纤维素工艺的研究进展.湖北造纸，2011，42(2):25-27.余强，王闻，庄新姝，王琼，亓伟，谭雪松，袁振宏.高温液态水中甜高粱渣半纤维素水解及其机理·化工学报，2012，63 (2) : 599-605. Gullon, P.，Romani ,A. ,Vila, C. , Garrote, G.，Parajo, J. C. Potential of hydrothermal treatments in lignocellulose biorefineries.Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2012, 6(2):219-232) 生物质精炼技术(biorefinery technology)是最大化地利用生物质资源,将其转化为各种生物质化学品和能源的技术，可实现生物质能源、生物质材料、生物质化学品与生物质之间的可持续循环。美国纽约州立大学环境科学与林业科学学院(SUNY ESF)Shijie Liu教授和Thomas E. Amidon教授、緬因州州立大学化学与生物工程系的Adriaanvan Heiningen教授以及佐治亚理工学院的造纸科学与技术学院Arthur J. Ragauskas教授等人提出了将传统的硫酸盐制浆厂转变为生物质精炼厂的理念，即基于制浆造纸的生物质精炼新模式(I)原木经过处理后得到的树皮类生物质，经过生物化学、热化学或燃烧炉处理后，转化为生物基产品或能源(生物柴油)；(2)制浆前的木片预抽提，利用生物化学技术将半纤维素从木片中预抽提出来，用于制备糖类化合物或者进而通过发酵过程转化为生物乙醇燃料；(3)黑液的资源化利用，通过黑液气化和黑液萃取过程，将黑液中的固形物转化为高附加值的生物质基产品或能源；(4)造纸污泥中的细小纤维可以回收再利用，用于造纸生产或者通过碳水化合物的水解和发酵，将其转化为高品位的生物质基燃料(生物乙醇)。该工艺具有以下优点(I)可提取半纤维素等糖类化合物用于炼制发酵生产乙醇和其他化学品；(2)经过预抽提半纤维素等糖类化合物后的木质纤维原料，具有良好的渗透扩散性能，为制浆过程深层木质素的迅速溶出提供了通道，提高蒸煮药剂对木质素的选择性，降低浆料的卡伯值，缩短蒸煮时间，减少化学品消耗，降低黑液的污染负荷和碱回收的处理成本。木质纤维素在水热条件下的水解实际上是一种依赖于热量和酸催化的水解。水热法预处理(也叫高温液态水处理、自水解、热水抽提等)，温度一般为160-240°C，压力维持在1-3. 50MPa，时间为几分钟到几个小时不等，而采用的固体浓度一般低于20%。与其它预处理方法相比，水热预处理是一种廉价、环保和绿色的预处理技术，该法能将木质纤维素中的半纤维素转化为木糖及其低聚糖，同时提高残渣的纤维素酶水解率。这个糖化工艺由于产生的发酵毒性副产物少，不需要添加任何化学试剂而且设备成本低等优点而受到广泛关注。Romani等近年来在对桉树为代表的木质纤维原料的水热预处理做了大量研究后，以预处理温度和预处理时间(加热和冷却时间)为参数，建立数学模型来确定水热处理的程度，引入了反应因子(R。)和强度因子(logR。)的概念。对于任意给定的预处理温度和时间，可计算出水热处理的强度因子。权利要求1.，其特征在于，包括如下步骤 (1)将粉碎的木质纤维素原料与水充分混合后，静置2-4小时，随后将混合物转移至高压反应釜内；在惰性气体保护下，将高压反应釜从室温加热到180-240°C，然后立即通冷凝水将反应釜快速降至室温； (2)将步骤(I)得到的产物经过固液分离得到固相产物和液相产物。2.根据权利要求I所述的，其特征在于，步骤(I)中强度因子为2. 40-4. 17，压力在对应温度的饱和蒸汽压为I. 19-3. 45MPa。3.根据权利要求2所述的，其特征在于，步骤(I)中高压反应釜的温度在220°C，压力在对应温度的饱和蒸汽压为2. 4MPa，使反应温度下的高温水保持在液体状态。4.根据权利要求I所述的，其特征在于，所述的木质纤维素原料粉碎至40 60目。5.根据权本文档来自技高网...

【技术保护点】
木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将粉碎的木质纤维素原料与水充分混合后，静置2？4小时，随后将混合物转移至高压反应釜内；在惰性气体保护下，将高压反应釜从室温加热到180？240℃，然后立即通冷凝水将反应釜快速降至室温；（2）将步骤（1）得到的产物经过固液分离得到固相产物和液相产物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖领平，史正军，白媛媛，孙润仓，许凤，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：