[发明专利]木质纤维素组分分离的绿色工艺

说明书

技术领域

本发明属于生物质资源高值利用和生物化工领域，涉及一种不需添加任何酸、碱、醇等有机溶剂，即可实现木质纤维素组分分离的绿色工艺。

背景技术

能源安全是关乎国家政治稳定和经济可持续发展的重要因素，寻找清洁可再生能源代替传统化石能源已经成为全球炙手可热的研究课题。木质纤维素生物质作为地球上储量最丰富的可再生有机能源库，能炼制出多种清洁生物燃料和生物基化学品，将在未来能源结构中扮演越来越重要的角色。然而，木质纤维素结构紧密复杂，微生物和生物酶难以降解，且不同种属与来源的木质纤维素结构和组分也不尽相同。因此，实现木质纤维素的生物炼制，前提在于其组分的分级分离。专利(CN201310688644，2014)公开了一种木质纤维素原料组分分离的方法。该方法采用含有NaOH和H₂O₂的水溶液处理木质纤维素原料，反应后过滤获得纤维素，滤液则通过调制溶液的pH分离木质素，加入乙醇分离半纤维素，从而实现纤维素、木质素、半纤维素的分级分离。专利(CN201410063224，2014)公开了一种分离与纯化杨木乙酸木质素的方法。该方法采用乙酸和盐酸为蒸煮试剂，然后利用水中沉淀、碱处理和膜分离技术，分离得到杨木乙酸木质素。专利(CN201110460994，2011)公开了一种纤维素组分分离耦合木质素降解产生芳香醛的方法，该方法先利用稀酸处理分离出半纤维素，然后在碱性条件下分离纤维素，并以钙钛矿型复合氧化物催化木质素碱液制备芳香醛。专利(CN200710060358，2007)一种采用甲酸水解木质纤维素，分离生物质组分的方法，分离过程中进行了大量的水洗步骤。专利(CN200710177982，2007)公开了一种采用脱脂粗甘油预处理木质纤维素分离组分的方法。该方法先用脱脂粗甘油与木质纤维素混合蒸煮，分离纤维素部分；调节滤液pH和醇析，分离半纤维素部分；回收乙醇过滤获得木质素部分。

综上，目前公开的有关木质纤维素组分分离的报道专利，均需添加酸或碱，以及醇析等过程，耗水量大、易产生废酸或废碱液的排放，存在“二次污染”的隐患。为克服目前公开专利的木质纤维素组分分级分离技术存在的不足，本发明采用伽玛射线直接作用于固态生物质进行预处理，耦合低沸点四氢呋喃(～65℃)或者高沸点γ-内戊酯(～207℃))反应，一次过滤得纤维素组分；滤液经回收四氢呋喃或加入饱和NaCl溶液分相，二次过滤，残渣为木质素组分，二次滤液干燥为半纤维素组分。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需添加任何酸、碱、醇等有机溶剂，即可实现木质纤维素组分分离的绿色工艺。

为实现上述目的，本发明以木质纤维素为原料，经由辐照预处理，耦合低沸点四氢呋喃或者高沸点γ-内戊酯反应，经简单过滤分离和干燥即可实现纤维素、半纤维素和木质素的分级分离。包括以下步骤：

(1)木质纤维素切碎后，以固态形式进行辐照预处理，破坏木质纤维素紧密结构；木质纤维素包括农业废弃秸秆或林业加工废弃物或生物质原料；

(2)辐照预处理后的生物质粉碎后，置入反应釜中，加入四氢呋喃或者高沸点γ-内戊酯反应，溶解木质素和半纤维素，固液质量体积比为1:5～1:10mL/g，反应时间为1～6h，反应温度为50-180℃；反应完成后，过滤，残渣为纤维素组分；

(3)一次滤液经溶剂回收，或者加入饱和氯化钠溶液，分相沉淀木质素；二次过滤，残渣为木质素组分，二次滤液干燥即为半纤维素组分。

所述方法，其中的木质纤维素涉及到木质纤维素原料包括农业废弃秸秆，如稻草秸秆、稻壳、玉米秸秆、小麦秸秆等、林业加工废弃物，如木材加工下脚料、木屑等、以及能源草、芦苇秆等生物质原料。

所述方法，其中的辐照预处理技术的能量源包括电子、γ-辐射、中子、微波等任何一种。

所述方法，其中的辐射剂量范围为100～2000kGy,在辐照剂量500～900kGy时，木质纤维素紧密结构松散效果最佳。

所述方法，其中四氢呋喃或者γ-内戊酯反应条件为：固液质量体积比为1:5～1:10mL/g，反应时间1～6h，反应温度50-180℃。

所述方法，其中干燥条件为：干燥温度105℃和干燥时间2～10h。

所述方法，其中四氢呋喃或者γ-内戊酯反应可回收重复多次使用。

所述方法，纤维素组分产品得率为原木质纤维素干重51～56％，葡萄糖含量大于90％。

所述方法，半纤维素组分产品得率为原木质纤维素干重16～21％，木糖及其衍生物含量55～75％。