[发明专利]生物质纤维原料的预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物质综合利用，特别涉及生物质纤维原料的预处理方法。

背景技术

生物质纤维是一种丰富的可再生资源，其转化为生物质能源需要解决的首要问题是怎样有效地提高生物质酶解糖化的效率。植物细胞壁的结构致密复杂，化学药液难以均匀、快速地渗透进入细胞壁的孔隙结构中；纤维素具有较高的结晶度，且被半纤维素和木素包裹起来，因此在进行酶解糖化前有必要对纤维原料进行预处理。生物质经过预处理，改变微观形貌，增加表面可及性，破坏木素、半纤维素和纤维素的结合层，部分或全部脱除木素和半纤维素，提高酶解糖化以及后续炼制生物质能源的转化效率。

目前，常用的预处理方法可以分为物理法、化学法、物理化学法和生物法。物理法主要有机械粉碎、微波辐射、高温热解等，但这些方法往往能耗较高，酶解效率提高有限。化学法主要有酸处理、碱处理、有机溶剂处理和离子液体处理等，化学法能有效的提高酶解糖化效率，但化学药液难以快速渗透、污染严重、成本高等问题限制了其广泛应用。物理化学法结合了物理法和化学法的优点，能有效地提高预处理效果，且能耗、成本和环境污染程度均优于单一的物理法和化学法，其主要包括蒸汽爆破、液氨回流渗透法、氨纤维爆破法等。生物法主要利用白腐菌、褐腐菌和软腐菌等降解木质素提高酶解效率，处理条件温和，但周期长，实用性不强。

微乳液是一种热力学稳定的乳液体系，具有超低的界面张力和较小的粒径，增溶能力强，易于渗透到孔隙结构中，已在医药、环境保护和三次采油等领域得到应用广泛。离子液体具有熔点低、不挥发、强溶解能力、热力学稳定、污染少和易回收等特点，在林产化学与工业方面主要应用于纤维素的溶解、纤维素改性和生物质预处理方面。利用离子液体微乳液技术，引入氢键破坏剂，处理生物质纤维原料以提高预处理效果和酶解糖化效率，开发一种新的节能、高效的生物质预处理技术具有十分重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明目的在于提供生物质纤维原料的预处理方法，该方法能提高药液的渗透能力，强化预处理效果，有利于后续糖化发酵过程。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

（1）氢键破坏剂-离子液体复合微乳液的制备

先将表面活性剂、助表面活性剂和油相三者混合均匀，控制温度为20℃～100℃，搅拌速度50rpm～300rpm，搅拌过程无气泡时再添加水相物质，继续搅拌得到澄清透明的复合微乳液；其中水相物质由氢键破坏剂、离子液体和蒸馏水组成；

（2）生物质纤维原料的微乳液预处理

将步骤（1）得到的复合微乳液与经纯化处理的生物质纤维原料按照固液比20:1～40:1混合形成均匀的反应液，在温度为30℃～120℃、压力为0.1Mpa～2.0Mpa的条件下，反应4h～24h，反应结束后加入相当于反应液总体积0.2倍～0.8倍的清水，在100rpm～300rpm条件下搅拌5min～30min后过滤并收集滤液以备回用；将滤饼洗净后并烘干，得到预处理后的生物质样品。

所述离子液体为咪唑盐离子液体。

进一步的，所述咪唑盐离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑硫酸氢盐中的一种以上。

所述水相物质的质量占复合微乳液总质量的40%～75%，其中氢键破坏剂和离子液体的质量比为1:2～2:1，氢键破坏剂和蒸馏水的质量比为1:2～2:1。

所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的一种以上；其中油相为碳原子数5～12的烷烃中的一种以上；所述助表面活性剂为乙醇、异丙醇、正丁醇、异戊醇中的一种以上；所述氢键破坏剂为氨水、乙二胺、二甲基亚砜、尿素、盐酸胍中的一种以上。

进一步的，所述油相为环己烷、正辛烷、正庚烷、甲苯中的一种以上。

所述步骤（2）中的生物质纤维原料为桉木、马尾松、竹子、稻草、龙须草、麦秆、甘蔗渣、芦苇、棉秆中的一种以上。

步骤（2）中收集的滤液中含有离子液体，可通过减压蒸馏回收其中的离子液体。

生物质纤维原料的细胞壁均具有结构致密整齐、表面平滑、孔隙少、结晶度高的特点。复合微乳液能加快化学药液对原料的渗透，在氢键破坏剂的作用下，包裹在纤维素表面的木素和半纤维素结构被部分破坏脱除，使得纤维素逐渐暴露出来；且在有离子液体作用时，生物质微观表面出现断层和孔洞，增加了底物的比表面积，有利于提高酶解效率。