[发明专利]一种分级分离甘蔗渣成为高α-纤维素纸浆、木聚糖和木素的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种分级分离(fractionating)甘蔗渣成为高α-纤维素、 木聚糖和木素的方法。分离的组分用于生产高增值商品，如纤维素酯、 戊糖及其衍生材料以及木素磺酸盐和其它木素衍生物。

发明背景

森林植被的消耗和环境污染是今天人类的两大关注点。因此，对于 开发防止森林砍伐的技术以及开发减少在方法中使用的化学品量的“绿 色技术”有强大的推动力。例如，水解反应使用蒸汽相比为实现同一目 的使用化学品是优选的。

农业废弃物，如甘蔗渣、谷物和谷类秸秆、黄麻杆、棉秆等，是由 与在大多数木材中几乎一样比例的纤维素、半纤维素和木素组成的含纤 维的纤维素材料，因此，如果新技术用这些材料代替木材，它们将有助 于保护许多森林和环境。此外，如果将这些纤维素纤维的所有组分分离 成为其纯的组分聚合物，即纤维素、半纤维素和木素，那么它们可以为 我们提供纯的增值有机原料，用于生产各种工业品和消费品，如塑料、 化学品、用于如丁醇和乙醇的生物燃料的原料。这将培养出类似于炼油 厂等的生物炼油化工厂。据估计，各类农产品的农业纤维素纤维废料的 每年供应量是大约二百亿吨。考虑到这一巨大和大量尚未开发的原材料 的巨大的潜力，其目前几乎没有工业用途，对于在开发从废弃农业残渣 创造出价值的新工艺技术方面具有极大的兴趣。

对纸张的全球需求是如此巨大，使得研究了大多数以纤维植物为基 础的木质纤维(1ingocellulosics)物质，用于通过各种方法制浆以生产 造纸级的纤维素纸浆。这可以通过以旨在尽量减少纤维素纤维损失和损 害的方式除去木素和半纤维素成分来实现。一般来说，这些方法由在高 温下和在足以导致可接受程度的去木质作用的时间尺度内使用制浆化 学品蒸煮(cooking)或煮解(digesting)木质纤维植物物质组成，从而 产生具有指定特征特别是颜色、强度、光泽度和可印刷性的纤维素纸浆。 在大多数工艺中，从木质纤维植物物质(“黑液”)提取的木素和半纤维 素成分的很大一部分是环境污染的来源，因为“黑液”形式的“废液”经过 昂贵的防污染处理后被放出进入废水流中。这导致有价值的工业有用的 有机聚合材料如木素和半纤维素损失，而如果分离出来的话，可能会有 许多工业应用。此外，可以避免消除污染的费用。

因此，近年来对于开发木质纤维植物物质的清洁分级分离方法具有 极大的兴趣，不仅用于纸张和纸浆，而且用于获得用于生物精炼的各个 纯的纤维素、半纤维素和木素流。

不过，迄今为止，由于在天然生物质(biomass)材料中存在的结构 和成分的复杂性，已知还没有简单和经济上可行的方法用于从木质纤维 生物质有效分离木素、半纤维素和纤维素的纯化组分。尽管如此，全球 范围内许多研究正在进行，以寻找新方法来实现这些目标，这可以从非 常多的研究出版物和专利明显地看出。

高价值的塑料，如纤维素酯和食品级纤维素衍生物的生产需要高品 质的纤维素原料。迄今为止，棉绒纤维(cotton linters)是精选的原料， 用于生产高品质的纤维素基塑料和其它如纤维素醚的常见的衍生物。然 而，棉绒纤维价格昂贵，而且其产量是有限的。近年来，充分纯化的木 浆也可以用于生产塑料制品如纤维素酯。然而，这种木浆越来越贵，而 且在一些国家的森林砍伐(de-forestation)的影响已经使得必须寻找使 用可再生材料的替代源。

可以从纸浆厂和造纸厂以合理的价格获得的纤维素纸浆一般属于 造纸级别的纤维素，其具有75-84％的α-纤维素含量，而显著量的半纤 维素和木素是可以容忍的，而且在其作为印刷纸的应用中确实是需要 的。这种相对丰富的纤维素纸浆不能用于制备优质塑料如纤维素酯。市 场上可购买的“溶解级”纸浆是指木材衍生的纤维纸浆，其经过充分纯化 以去除痕量的木素和半纤维素，以获得高α-纤维素(94％以上的α-纤维 素含量)，其然后与二硫化碳反应以产生可溶性的黄原酸纤维素。后者 然后随着二硫化碳的释放(evolution)和纤维素的再生，旋成纤维(粘 胶人造丝)。不过，需要开发一种方法，其可以避免使用在世界许多地 方都缺乏的木材，并代之以每年可补充的、每年可充足获得的含有纤维 素的农业废弃物，如甘蔗渣、麦秸和其它类似材料。