[发明专利]微波耦合高沸醇预处理生物质的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质利用技术领域，特别涉及一种微波耦合高沸醇预处理生物质的方法。

背景技术

生物质结构非常紧密，在三大组分-纤维素、半纤维素和木质素分子之间存在着不同的结合力。纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键；半纤维素和木质素之间除氢键外，还存在着化学键的结合，致使从天然纤维素原料中分离的木质素总含有少量的碳水化合物。半纤维素和木质素间的化学键结合主要是半纤维素分子支链上的半乳糖基和阿拉伯糖基与木质素的作用，且木质素和碳水化合物之间的化学键结合主要是通过分离的木质素-碳水化合物复合体(Lignin-Carbohydrate Complex，LCC)进行研究的。纤维素的网络结构中交联着非纤维素分子的基质，这些分子包括半纤维素和果胶类物质等。

这种结构使得天然的生物质很难被降解，必须以一定的预处理方式，不同程度的破坏这种复杂的结构，从而对生物质进行高效利用。虽然从上个世纪七、八十年代开始，研究者们已对生物质预处理进行了广泛深入的研究，发明了包括酸、碱、水热等预处理方式，但是在生物质的利用上并未取得突破性的进展。究其原因主要有二：其一，大多数研究者试图采用单一的预处理方式来解决具有复杂结构的生物质利用难题，技术上无法取得突破；其二，目前的单一预处理方式针对单一组分，主要是纤维素的利用，忽略了占生物质组成三分之二的另外两种成分-半纤维素以及木质素的潜在巨大价值，技术经济关难以逾越。

找到新型的耦合预处理工艺，并以生物质三大组分-纤维素、半纤维素以及木质素的整体利用为目标才能为生物质产业化奠定扎实基础。

发明内容

【发明目的】本发明的目的是提供一种耦合生物质预处理工艺，以实现生物质三大组分-纤维素、半纤维素以及木质素的整体利用。

【本发明的构思】生物质中木质素与碳水化合物(半纤维素和纤维素)连接在一起，形成木质素-糖类复合体。这种复杂结构一方面影响了生物质的高效利用，也为生物质预处理技术提出了挑战。

由于这种复杂结构，目前采用单一高沸醇处理技术提取木质素工艺需要在高温(180-220℃)下长时间(60-180min)处理，这就使提取成本居高不下，同时得到的木质素分子量较低，限制了其应用。

如果在提取前，先一定程度破坏木质素-糖类复合体，势必会降低提取木质素的强度。本发明则采用微波耦合高沸醇工艺处理生物质。微波具有热效率高，方便操作和无污染等特点。微波预处理过程添加少量的酸可加速生物质的自体水解过程，从而使半纤维素快速降解，这无疑大大降低了后续木质素以及纤维素的提取难度。经微波处理的生物质，再用高沸醇在低温较短时间下溶解木质素，纤维素则以固体形式析出。微波处理后的木糖可用于发酵生产木糖醇。

【本发明技术方案】本发明的基本特征如下：

(1)将粉碎过后的生物质原料称量后置于微波反应器中进行预处理，固液比(原料∶自来水或回用水)为1∶50-1∶5，添加酸使其占生物质干重的0.1％-5％，物料在100-200℃下处理1-30min后，完成微波预处理；(2)微波预处理后，进行固液分离，液体用于木糖浓缩并用于木糖醇发酵，固体用于分离木质素与纤维素；(3)将固体置于反应釜中，加入浓度为50％-100％的1，4-丁二醇(新鲜或者回收)水溶液，固液比为1∶3-1∶20，物料在100-250℃下提取5-100min；(4)提取结束后，进行固液分离，固体用水洗后得到高纯纤维素，水洗液回用于微波预处理，液体部分通过控制不同的水分添加量进行木质素分级沉淀，再经固液分离后得到不同分子量级别的木质素，水洗后冷冻干燥得到具有低多分散性、反应均一性的高品质木质素，木质素的水洗液回用于微波预处理；(5)木质素沉淀后的提取液经减压蒸馏进行溶剂以及水的回收并将其循环利用于木质素的提取及其分级沉淀。

本发明方案中的木质纤维素原料是指各种藻类、各种农作物秸秆、各种果壳、硬木、软木、木屑以及芒草、速生柳、速生杨、构树等能源植物。方案中的粉碎是指使用粉碎机将原料粉碎成0.5-30mm的颗粒。方案中的耦合是指将生物质先经微波在100-200℃下处理5-30min后，再经体积比浓度为40％-100％的1，4-丁二醇水溶液在100-250℃下处理5-100min。步骤(2)中所述的微波预处理过程中添加的酸是指硫酸、磷酸、硝酸、醋酸、盐酸、甲酸、乳酸等，其用量占生物质干重的0.1％-5％。步骤(2)经微波预处理后得到的糖溶液用于生产木糖醇。步骤(4)经高沸醇预处理后通过控制水分添加量使其体积为提取液体积的1-5倍，而得到不同分子量级别的木质素。