[发明专利]一种木质纤维素酸碱耦合预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质资源转化利用技术领域，特别是涉及一种木质纤维素酸碱耦合预处理方法，具体而言，利用酸碱耦合预处理分离木质纤维素为纤维素、半纤维素和木质素，同时实现木质纤维素组分分离和高效酶解糖化。

背景技术

从木质纤维素资源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，可以缓解对石油工业的依赖以及减少对环境的污染。在木质纤维素的转化过程中，基于糖平台的生物转化技术由于反应条件温和、环境友好等优点备受青睐。然而，如何高效水解木质纤维素中复杂的多糖仍然制约着木质纤维素生物精炼的发展。

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。其中，纤维素是由D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键联结而成的长链分子，长链分子进一步形成一种具有高度结晶区的超分子稳定结构，同时其周围紧密镶嵌着半纤维素和木质素，这种复杂稳定的结构使得纤维素很难直接被酶水解。为提高纤维素酶解效率，必须对木质纤维素原料进行预处理。

通过预处理改变木质纤维素物化特性可有效提高纤维素酶解效率。目前，木质纤维素预处理方法大致可分为物理法、化学法、物理化学法以及生物法。物理法主要通过机械粉碎、微波、蒸汽爆破等手段来提高纤维素酶解效率，不足之处在于过程耗能高，对设备投入大。化学法利用化学试剂(如酸、碱)水解半纤维素或脱除木质素，在改变木质纤维素化学组成的同时也会导致其物理特性的变化，如结晶度、可及内表面积等。化学法由于过程操作简单、耗能低、效果明显等优点有望在今后工业生产中得到广泛应用。生物法则主要采用白腐真菌或木质素降解酶等降解木质纤维素原料中的木质素，从而提高纤维素的酶解效率。生物法正处在实验阶段，有待进一步研究。目前，绝大多数预处理方法很难同时实现木质纤维素的全组分分离和高效酶解。此外，传统的预处理思路也往往局限于获得可转化为乙醇的纤维素，对半纤维素、木质素的处理未予以充分重视。因此，为了降低生产成本，预处理过程应该在实现纤维素高效糖化的同时将这三大组分分离、纯化，进而各自转化为有用产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的木质纤维素酸碱耦合预处理方法，可以克服现有技术的缺陷。它是木质纤维素组分分离和高效酶解的酸碱耦合预处理方法，能够同时实现木质纤维素三大组分分离和纤维素高效酶解糖化，并实现溶剂的回收再用。

本发明所述的木质纤维素酸碱耦合预处理方法主要涉及木质纤维素预处理、组分分离、纤维素酶解、溶剂回收再用等工序，包括下述步骤：

(1)将风干的木质纤维素(玉米秸秆、玉米芯、麦秆或木屑等)进行机械粉碎处理，粒径为100目～1cm之间。

(2)粉碎后的木质纤维素利用甲酸或稀硫酸溶液进行处理。

a.甲酸处理：在40～100℃下加入浓度为70～95wt％的甲酸溶液搅拌处理1～10h，木质纤维素与甲酸溶液的固液比(w/v)为1∶50～1∶5，盐酸添加量为甲酸体积的0～1/25，搅拌转速为20～300rpm。

b.稀硫酸处理：在80～150℃下加入浓度为0.5～10wt％的稀硫酸溶液搅拌处理5min～2h，木质纤维素与稀硫酸溶液的固液比(w/v)为1∶50～1∶5，搅拌转速为20～300rpm。

(3)酸处理后的反应浆料经过涡流离心、抽滤或板框过滤进行固液分离，得液态物料和固态物料。

(4)对步骤(3)获得的液态物料进行溶剂回收

a.甲酸处理：通过减压蒸馏、萃取精馏或共沸精馏方法对液态物料中的甲酸进行回收，甲酸溶液回收后，木质素和半纤维素水解糖发生沉淀。加水溶解可溶性糖，水不溶性木质素经固液分离方法进行收集；液态物料的主要成分为木糖、木寡糖等半纤维素水解糖。

b.稀硫酸处理：液态物料进行酸碱中和处理，加入10wt％氢氧化钠溶液，直到体系pH值为6.5～7.5。

(5)对步骤(3)获得的固态物料再进行氨水或氢氧化钠溶液处理。

a.氨水处理：在40～80℃下加入浓度为10～25wt％的氨水溶液搅拌处理2～24h，固态物料与氨水溶液的固液比(w/v)为1∶20～1∶2，搅拌转速为20～300rpm。

b.氢氧化钠处理：在60～120℃下加入浓度为0.5～10wt％的氢氧化钠溶液搅拌处理1～12h，固态物料与氢氧化钠溶液的固液比(w/v)为1∶50～1∶5，搅拌转速为20～300rpm。

(6)碱处理后的料液进行固液分离，得液态物料和固态物料，所述的固液分离方法为涡流离心、抽滤或板框过滤。

(7)对步骤(6)获得的液态物料进行溶剂回收