一种木质纤维素生物质的综合利用方法技术

一种木质纤维素生物质的综合利用方法，包括：(a)碱解处理；(b)对所述碱解残渣进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(c)使用纤维素酶对所述酸水解残渣进行酶解得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)将所述酶解残渣返回步骤(b)进行酸解处理或将所述酶解残渣与新的碱解残渣合并后再进行步骤(b)的酸解处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，从而进一步使半纤维素转化为戊糖并使纤维素酶解为葡萄糖。上述方法实现了对木质纤维素生物质资源利用的最大化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种综合利用木质纤维素生物质的方法，具体地说是一种综合利用木质纤维素生物质中纤维素、半纤维素和木质素的方法。
技术介绍
随着化石燃料资源的日趋枯竭和环境污染的日益严重，利用再生能源为石化产品的替代品变得愈加重要。而燃料乙醇是生物质液体能源的物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(玉米、木薯等)和糖类(甘蔗、甜菜等)作为发酵的原料。采用微生物法法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行。现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素生物质。木质纤维素生物质以植物体的形式存在，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素占40%左右，半纤维素占25%左右，木质素占20%左右，地球上每年由光合作用生成的木质纤维素生物质总量超过2000亿吨，因此木质生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。如果能以木质纤维素生物质为原料生产乙醇，将极大解决人类的能源问题，但是在这方面仍存在很多技术难题尚未解决。目前，在以木质纤维素生物质为原料生产乙醇的过程中遇到一个的问题是纤维素酶解的提取率低，造成酶解的成本过高(占总生产成本的40-50% )，生产成本过高，无法真正实现工业化。纤维素酶解的提取率低的原因是一方面半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而木质素具有的网状结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素，木质素和半纤维素在空间上可阻碍纤维素分子与酶的接触，酶可及度差，增加了酶解的难度。因此有必要对木质纤维素生物质进行有效的预处理，破坏木质素和半纤维 素的空间障碍，同时还要避免预处理产生不利于酶解的酶抑制物(如糠醛，乙酸等)，从而有利于纤维素的酶解；另一方面，纤维素分子内和分子间存在氢键，聚集态结构复杂且结晶度高，纤维素酶对结晶纤维素酶促反应活力比较低，因此，为了提高纤维素酶解的提取率，需要采用较好预处理方法或者提高酶活力。在以木质纤维素生物质为原料生产乙醇过程中，遇到的另一个问题是对半纤维素、纤维素和木质素未能很好的综合利用，在现有技术中处理生物质的工艺，大多以降解糖类得到乙醇为目的，不能兼顾木质素的高质量提取及后续利用，往往把木质素作为一个去除对象，造成资源浪费和环境污染，未能达到资源最大化利用，再者酸水解半纤维过程中，生成的戊糖在较高温度或较高酸浓度下容易转化成糠醛，从而降低戊糖的利用价值。如现有技术中，公开号为CN101696427A的专利文献中公开了一种用纤维物质生产燃料乙醇和2，3-丁二醇的方法，通过碱法预处理，半纤维素酶解工艺，将45%以上的半纤维素转化成低毒性的木糖液，同时获得了高纤维素含量的纤维素残渣。其中的半纤维素水解液经发酵得到2，3- 丁二醇，纤维素残渣经发酵得到燃料乙醇，纤维素和半纤维素最终转化成工业产品得到利用，但是该工艺的目的在于将其中的纤维素和半纤维素转化成燃料乙醇和2，3- 丁二醇，碱法预处理的目的是最大限度的去除木质素，将木质素作为除去物，没有考虑所得木质素的纯度等质量问题及木质素的后续利用，用碱浓度比较高，对木质素的活性破坏较大，所以该方法对三种物质的分离，忽略了木质素的提取效果，只对纤维素和半纤维素进行了有效的工业利用，不能保证木质素能够进行有效的工业利用。公开号为CN101725068A的中国专利文献公开了一种用于分级分离基于木质纤维素生物质的方法和装置，提供基于木质纤维素生物质，加入能够溶解木质素的第一溶剂即碱性溶剂从所述生物质萃取木质素，再加入能够溶解半纤维素的第二溶剂即酸性溶剂萃取木糖，然后萃取残留在生物质中的纤维素；木质素、纤维素、半纤维素都能够分离出来，但是本工艺中使用稀酸处理时，半纤维素未降解为戊糖，而是以低聚物的形式存在；使用高浓度酸时，虽然戊糖的回收率高，但是生成糠醛的量相对也高，因此，操作过程对酸碱度的要求比较苛刻。同时分离木质素的过程中所用碱液浓度比较高，对木质素的活性破坏比较大，分离出来的木质素只能用作蒸汽锅炉或电厂锅炉的燃料，或者通过降解处理用作酚化学品，附加价值低。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中纤维素、半纤维素和木质素的未能综合利用，而且纤维素酶解的提取率低的问题，从而提出了。为达到上述目的，本专利技术提供，包括以下步骤(a)碱解处理(i)使用碱溶液处理所述木质纤维素生物质使其中的木质素溶解于碱溶液；(ii)然后进行过滤、洗涤得到碱解残渣和液体；(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液；(b)对所述碱解残渣进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(C)使用纤维素酶对步骤(b)中所述酸水解残渣得到的残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；d)将所述酶解残渣返回步骤(b)进行酸解处理或将所述酶解残渣与新的碱解残渣合并后再进行步骤(b)的酸解处理，然后依次进行步骤(C)和(d)，如此循环，进一步使半纤维素转化为戊糖，并使纤维素酶解为葡萄糖。所述步骤(iii)中还包括将所述浓缩得到的碱木质素溶液再用水稀释，然后再次浓缩的步骤。所述步骤(iii)中还包括将得到的碱木质素溶液经过中和、过滤和干燥，得到碱木质素固体。所述步骤(iii)中还包括在浓缩得到所述碱木质素溶液之后或同时回收利用其中的碱溶液的步骤。在所步骤(i)中所述碱解处理在40_100°C下进行。在所步骤(i)中所述碱解处理中液固体积比为5 1-20 1。在所步骤(i)所述碱解处理中碱溶液的浓度为O. 8-5重量％。在所步骤⑴中所述碱溶液处理的时间为1-6小时。各种碱都可以用于本专利技术,包括但不限于氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水等。但是，根据某些优选实施方案，碱溶液为氢氧化钠的水溶液。所述酸溶液的种类没有特别的限定，可以是木质纤维素生物质进行酸水解的常规使用的酸，例如酸可以为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或几种。所述酸水解的温度为100_150°C，时间为O. 5-3小时，进行所述酸水解时，酸溶液的浓度为O. 5-30重量％ (如选用的酸为强酸，则酸溶液的浓度较低，约为O. 5-5重量％，如选用的酸为弱酸，则酸溶液的浓度较高，约为5-30重量％ )。所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为Penicillium decumbens Η)-63_08,已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC)，保藏单位地址武汉大学保藏中心。登记入册的编号是CCTCC M 2011195，保藏日期是2011年6月13号。以此菌株为酶解纤维素的菌株。所述纤维素酶解的条件为底物用量为80_150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为 45-55°C、pH为4-6、搅拌转速为50_200rpm，酶解转化时间为2-7 天。纤维素酶解糖化后，发酵可以采用本领域技术人员公知的方法，发酵生产乙醇。本专利技术的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点1、本专利技术采用了先碱解处理、再酸水解和纤维素酶解，最后分别对纤维素、半纤维素进行交替提取处理的工艺路线。其中对采用碱解处理木质纤维素生物质得到的液体进行膜分离、浓缩，提高碱木质素的纯度，有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于包括以下步骤：(a)碱解处理(i)使用碱溶液处理所述木质纤维素生物质使其中的木质素溶解于碱溶液；(ii)然后进行过滤、洗涤得到碱解残渣和液体；(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液；(b)对所述碱解残渣进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(c)使用纤维素酶对所述酸水解残渣进行酶解得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)将所述酶解残渣返回步骤(b)进行酸解处理或将所述酶解残渣与新的碱解残渣合并后再进行步骤(b)的酸解处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，进一步使半纤维素转化为戊糖，并使纤维素酶解为葡萄糖。

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于包括以下步骤(a)碱解处理(i)使用碱溶液处理所述木质纤维素生物质使其中的木质素溶解于碱溶液；( )然后进行过滤、洗涤得到碱解残渣和液体；(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液；(b)对所述碱解残渣进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(c)使用纤维素酶对所述酸水解残渣进行酶解得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)将所述酶解残渣返回步骤(b)进行酸解处理或将所述酶解残渣与新的碱解残渣合并后再进行步骤(b)的酸解处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，进一步使半纤维素转化为戊糖，并使纤维素酶解为葡萄糖。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(iii)中还包括将所述浓缩得到的碱木质素溶液再用水稀释，然后再次浓缩的步骤。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤(iii)中还包括将得到的碱木质素溶液经过中和、过滤和干燥，得到碱木质素固体。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于所述步骤(iii)中还包括在浓缩得到所述碱木质素溶液之后或同时回收利用其中的碱溶液的步骤。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于在所步骤(i)中所述碱解处理在40-100...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一林，江成真，张恩选，高绍丰，韩文斌，崔建丽，马军强，焦峰，张茜，刘洁，
申请(专利权)人：济南圣泉集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：