[发明专利]木质纤维素中半纤维素的水解方法

说明书

技术领域

 本发明涉及了一种木质纤维素中半纤维素的水解方法，具体的说是一种有机酸和卤素盐催化水解木质纤维素中半纤维素的方法，属于木质纤维素预处理技术领域。

背景技术

化石能源作为人类生存生活的最主要能源（约占全球能源需求的82%）是一次性不可再生的。按照目前人类消费能源的速率，已探明的石油资源（1855.04亿吨，截止2009年底）还仅可以开采约 40年，天然气资源（187.16万亿立方米，截止2009年底）仅能维持约65年，煤炭资源（总可采量9300亿吨，截止2007年）也只能运行约130年。且一旦石油与天然气先后枯竭，人类必将更依赖于煤炭资源，那种情况下，煤炭资源将不能维持超过一百年。能源资源是关系到人类生存的重大问题。寻找化石能源的替代品已经成为全球关注的焦点，开发洁净的可再生的能源成为人类的紧迫课题。在此背景下，生物质能作为唯一可固定碳的可再生能源，其开发研究、高效转换和清洁利用日益受到世界范围内的重视。

生物质主要指基于植物的各种资源，通常包括木材及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源颇为丰富，而且是一种无害的能源。木质纤维素类生物质包括农业林业生产的剩余物废弃物和草类等，全世界每年来自生物质的纤维素半纤维素的总量高达850亿吨，因此，将这些丰富和廉价的生物质转化用于生物燃料、生物基化学品、生物材料和食品等的生产，具有广阔的前景。木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中半纤维素一般占20%～35%，半纤维素可作为胆固醇抑制剂和药片分解剂等，其经水解可制备功能性低聚糖，可生产木糖阿拉伯糖和半乳糖等，得到的单糖还可进一步生产燃料乙醇、木糖醇、丁二醇、有机酸、单细胞蛋白和糠醛等工业产品。

由于木质素和半纤维素对纤维素的包裹作用以及纤维素本身的结构特点，天然形态的纤维素很难直接被纤维素酶分解成葡糖糖等单糖。因此，必须对原料进行预处理，将纤维素、半纤维素和木质素进行分离，打破纤维素的结晶结构，提高纤维素对酶的可及性，从而有效的酶解纤维素。对木质纤维素进行预处理以实现各组分分离是有效利用生物质资源的关键技术。目前，已有公开专利报道的木质纤维素水解工艺主要分为无机稀酸水解、无机浓酸水解和有机酸水解法。一、无机稀酸水解，此法所用的催化剂主要有稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸等，需要在高温下进行长时间反应，此法一般用于生物质中半纤维素的水解，水解单糖产流一般低于50%，当温度过高时单糖降解严重，副产物多，对发酵有害，需要经行脱毒处理。其工艺复杂。二、无机浓酸水解法，主要采用浓硫酸和浓盐酸做催化剂，在较低温度下进行，可破坏木质素、半纤维素和纤维素之间的结合键，水解半纤维素和纤维素，单糖产率高、副产物少。但该法的缺点是浓硫酸、浓盐酸的腐蚀性强，对设备材质要求高，环境污染严重，分离和在浓缩使工艺复杂化，同时生产成本也相应增加。三、有机酸水解，该法一般采用有机强酸如三氟甲磺酸（如中国专利200710037882.9），可降解半纤维素，得到低聚糖或单糖，通过蒸馏可以对有机酸进行回收。此法的水解时间较长最长可达12小时，并且含氟有机酸的毒性大。此外，美国专利US6423145报道了使用稀硫酸或稀盐酸等无机酸做催化剂，硫酸亚铁、硫酸铁、氯化铁、硫酸铝和氯化铝的做助催化剂对木质纤维素水解。酸浓度在0.2～4%，无机盐浓度在0.2～25.0mmol/L，反应温度为120～240℃，水解1到30分钟。可显著提高还原糖收率。

预处理水解的得到的水解液中含有木糖、葡萄糖、阿拉伯糖和半乳糖等产物，其中以木糖为主，同时不同的水解条件下有不同的副产物生成，一般有糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酸、甲酸和乙酰丙酸等。预处理得到的水解液进过进一步的处理可以用于生产木糖、木糖醇、糠醛或发酵制乙醇、乙酸、乙二酸和乙酰丙酸等产品。现阶段，在我国，大部分水解液用于制备木糖或木糖醇，使用此类水解液制备糠醛的工业应用报道较少。