[发明专利]一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术制备水溶性纤维素的工艺

说明书

所属技术领域：

本发明涉及化工、石化和轻工领域。 

背景技术：

随着社会发展，人类对能源需求逐增，石化及煤炭资源的有限性及不可再生性，必然导致供给不足，因此，寻找再生能源成为迫在眉睫的事情。目前，可利用再生能源有风能、太阳能、水能、海洋能等，但这些能源的利用受诸多因素影响，因此，科学家们把目光集中在木质纤维素可再生资源上。地球植物每年生长量中所含生物质能量相当于600亿吨～800亿吨石油，仅有极少部分被利用。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，木本植物原料中含有38～50%的纤维素、20～35%的半纤维素及15～25%的木质素，纤维素是葡萄糖高聚物，作为一种化石燃料的替代能源，由于其具有“CO2零排放”效应、低硫、资源广泛和可再生性等特点，如果能将这些取之不尽的可再生资源得到充分有效的利用，必然具有重大的社会和经济意义。木质纤维素生物质转化新型能源和高附加值化工产品是国内外关注研究热点，包括液态烷烃，2,5-二甲基呋喃，生物乙醇等，其转化的关键步骤是纤维素生物质清洁水解。然而纤维素是由β-1,4-糖苷键组成的长链分子，分子内及分子间由于氢键的存在形成高度的结晶结构，这种超稳态结构不同于直链淀粉的螺旋结构，使得纤维素水解异常困难。目前纤维素水解越来越引起人们的高度重视，现有的水解工艺主要是浓硫酸，盐酸等强酸水解和纤维素酶水解。酶水解反应条件温和，不产生发酵抑制物，但酶制剂的成本高，酶作用时间长，效率低等；浓酸水解反应具有条件温和，能耗低，速率快，水解率高等优点，但酸回收是困绕浓酸水解技术应用的关键所在。 

浓酸水解是低温下，纤维素在浓酸作用下溶解，进行水解反应。其原理是结晶纤维素较低温度下完全溶解于72%的硫酸中，导致纤维素的均相水解。酸水解工艺相对比较成功，可产生高产率的水溶性纤维素，典型的工艺是用60%～90%的浓硫酸来进行酸解。 

负压空化是利用负压为动力以抽气形式激发出的微小气泡（空化核）在瞬间溃灭，使其周围产生的强烈空化效应和机械振动加速原料组织中的目的成分进入溶剂，空蚀效果显著，传质面积大，效率高，因此应用负压空化技术能有效的强化纤维素的酸解过程。负压空化传质体系可划分为四个区域，如图1所示。纤维素类生物质的负压空化浓酸水解装置见图2。 

纤维素浓酸水解的关键核心问题是酸的回收，由于已有传统的酸回收技术不够成熟，使得浓酸水解工艺处于停滞徘徊阶段。如何以经济的方法把酸和水溶性纤维素分离， 不但便于水溶性纤维素在后续工艺过程中的处理，同时为酸循环回收使用创造条件，既节约了成本又未造成环境污染，具有重大经济和社会意义。 

本发明采用膜分离技术，每个膜单元分离室都由渗析室和扩散室构成。当水溶性纤维素-硫酸混合溶液和清水分别流经渗析室和扩散室时，由于阴膜呈正电性，造成有选择的吸附呈负电性的硫酸根，通过膜上的纳米孔隙迁移到扩散室一侧，在浓度差的推动下扩散到清水，从而实现了硫酸和水溶性纤维素的分离。整套膜分离装置采用多膜组和逆流进液方式实现了水溶性纤维素和硫酸快速和高效分离的目的。 

从可持续发展来看，以纤维素类生物质为原料生产水溶性纤维素必将是一个非常具有潜力的发展方向，它既节约有限石化资源，又可降低环境污染，是一项集环境效益、社会效益和经济效益于一体的新型可持续环保产业，其重要意义是毋庸置疑的。 

基于上述原因，通过本项发明应用负压传质酸解和扩散渗析膜分离技术，以纤维素类生物质为原料高效转化成水溶性纤维素，使得纤维素资源得到更广泛、更有效的高附加值利用。 

发明内容：

一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术制备水溶性纤维素的工艺，其特征在于：应用具有自主知识产权的负压空化的技术对纤维素类生物质进行浓酸水解，经过扩散渗析膜分离得到酸液和水溶性纤维素，酸液经过负压成膜设备进行浓缩并回用。由于此过程采用了具有自主知识产权的扩散渗析膜分离设备和负压成膜设备进行酸和水溶性纤维素分离和浓缩，整个工艺过程具有能耗低的优点；由于酸液循环使用，使整个工艺过程具有无污染、无废料等特点，所得产品具有高转化率、高得率的优点。为拓展制备水溶性纤维素和纤维素类生物质的高附加值利用打开了广阔前景。 

本发明的目的在于提供一种利用负压传质和扩散渗析膜分离技术酸解纤维素制备水溶性纤维素的工艺。 

为了达到上述目的，本发明采用如下工艺： 

1、本发明适用的原料为所有纤维素生物质原料，包括各种针叶材、阔叶材、农作物秸秆等。