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，包括以下步骤：(a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)步骤(c)完成后，将得到的所述酶解残渣返回步骤(b)进行碱溶液处理或将所述酶解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤(b)的碱溶液处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，从而进一步提取木质素和进行纤维素酶解。上述方法提高了纤维素酶解的转化率，实现了对木质纤维素生物质资源综合利用。

【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过程中，遇到的第一个问题是对半纤维素、纤维素和木质素未能很好地综合利用，现有处理生物质的工艺技术，大多以降解糖类得到乙醇为目的，不能同时提取得到高纯度、高活性的木质素，往往把木质素作为一个去除对象；另一个问题是纤维素酶解的转化率低，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。纤维素酶解的转化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转化率，需要提高酶活力。在CN100564667C中公开了一种木质纤维素生物质的联合预处理方法及其系统，将木质纤维素生物质粉碎后装入循环反应釜中，并注入稀酸，打开循环泵在温度为500C _200°C下进行循环反应，反应结束后将得到 的水解液；循环反应釜内剩余的木质纤维素冲洗后，放入球磨机中加碱液进行球磨，进一步除去木质素，球磨完毕除碱后用于后继酶解，得到乙醇。上述工艺存在的缺点是若要想尽可能多的溶解木质素就需要提高碱浓度、碱处理的温度和延长碱处理的时间，造成木质素的活性部分受到破坏，不能利用其生产高附加值的产品。
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存在的在综合利用纤维素、半纤维素和木质素时，不能同时得到高活性、高纯度的木质素和较高的纤维素和半纤维素的提取率的问题，从而提出了一种木质纤维素生物质综合利用的方法。为达到上述目的，本专利技术提供，该方法包括以下步骤(a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，包括(i)经碱溶液处理所述水解残渣使其中的木质素溶解于所述碱溶液；(ii)然后进行过滤、洗涤得到液体和碱解残渣；(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液；(C)使用纤维素酶对步 骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)步骤(C)完成后，将得到的所述酶解残渣返回步骤(b)进行碱溶液处理或将所述酶解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤(b)的碱溶液处理，然后依次进行步骤(C)和(d)，如此循环，从而进一步提取木质素和进行纤维素酶解。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。所述木质纤维素生物质可以为玉米秸杆、麦秸、稻秸、甘蔗渣、棉柴、棉子壳、玉米芯、稻草、高粱杆、阔叶木材和木片的一种或几种。根据原料情况进行预处理，对木质纤维素生物质原料进行切割或粉碎，接着对该秸杆段进行洗涤除尘。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％ )。所述酸溶液为磷酸溶液，所述磷酸溶液的浓度为1-20重量％。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，得到碱木质素固体的步骤；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)中所述碱溶液处理在40-10(TC下进行。在所步骤(i)中所述碱溶液处理中液固体积比为5 1-20 I。在所步骤(i)中所述碱溶液处理中碱溶液的浓度为O. 8-5重量％。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。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、本专利技术采用先酸解、再碱解，最后酶解的工艺分别提取半纤维素、木质素和纤维素，且通过在酶解和碱解之间设置循环工艺分别对纤维素、木质素进行交替提取处理，一方面提高了纤维素和木质素的提取率，另一方面通过这种方法可以减弱酸解、碱解的处理条件，进一步保护木质素和纤维素不被破坏，从而可以使木质素和纤维素的利用最大化；另夕卜，本专利技术采用碱溶液处理水解残渣并对得到液体进行膜分离、浓缩，提高了碱木质素的纯度，有利于使用木质素生产高附加值的产品，如酚醛树脂；由此可见，本专利技术的上述方法解决了现有技术中木质纤维素生物质的综合利用问题，使资源利用达到了最大化。2、所述酸水解反应的温度为100_150°C，时间为O. 5-3小时，该温度和时间下既能将半纤维素水解的比较彻底，又能够阻止酸性条件下高温和反应时间过长对木质素和纤维素的破坏。3、本专利技术酸水解所用的酸可以为磷酸溶液，且磷酸溶液的浓度为1-20重量％时，最大限度避免了破坏木质素及纤维素，且由于磷酸腐蚀性较弱，因此，设备维护简单、使用时间长。 4、本专利技术将碱木质溶液用水稀释，再次浓缩，进一步降低了碱木质素溶液中的灰分含量和残余碱的含量，提高了固含量，更利于使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，包括(i)用碱溶液处理所述酸水解残渣使其中的木质素溶解于所述碱溶液；(ii)然后进行过滤、洗涤得到液体和碱解残渣；(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的所述碱解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)步骤(c)完成后，将得到的所述酶解残渣返回步骤(b)进行碱溶液处理或将所述酶解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤(b)的碱溶液处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，从而进一步提取木质素和进行纤维素酶解。

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，包括(i)用碱溶液处理所述酸水解残渣使其中的木质素溶解于所述碱溶液；( )然后进行过滤、洗涤得到液体和碱解残渣；(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的所述碱解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)步骤(c)完成后，将得到的所述酶解残渣返回步骤(b)进行碱溶液处理或将所述酶解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤(b)的碱溶液处理，然后依次进行步骤(C)和 (d)，如此循环，从而进一步提取木质素和进行纤维素酶解。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述酸水解的温度为100-150°C，时间为O.5-3小时。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于进行所述酸水解时，酸溶液的浓度为O.5-30 重量％。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述酸溶液为磷酸溶液，所述磷酸溶液的浓度为1-20重量％。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，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。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于所述步骤(iii)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一林，高绍丰，张恩选，韩文斌，崔建丽，栗昭争，马军强，刘洁，江成真，
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：