[发明专利]一种利用生物质碳基固体酸催化剂提高预提取半纤维素及其水解糖化效率的方法

说明书

本发明公开了一种利用生物质碳基固体酸催化剂提高预提取半纤维素及其水解糖化效率的方法，包括以木材类生物质材料为碳源，粉碎过筛收集粉末，通过碳化‑磺化法制备固体酸；利用该固体酸催化预水解过程，提高半纤维素脱除率；利用该固体酸对预水解液进行进一步地水解糖化得到单糖类化合物。由于该固体酸具有易分离、稳定性好、可重复使用等优点，因此能有效减少后续硫酸盐蒸煮的化学药品用量，降低生产成本、降低污染负荷。本发明应用于溶解浆制造工艺领域。

技术领域

本发明属于溶解浆制造工艺领域，具体涉及一种利用生物质碳基固体酸催化剂提高预提取半纤维素及其水解糖化效率的方法。

背景技术

以硫酸盐法为基础的溶解浆制浆工艺是基于制浆造纸平台的生物质精炼模式之一，该方法在制浆前进行预水解以脱除半纤维素从而获得较高质量的溶解浆。预水解液中含有半纤维素降解产物、小分子木素、糠醛、乙酸等产物，这些组分经过回收再利用，一方面可以减轻环境污染负荷，另一方面可以给制浆造纸企业带来额外的经济效益。

将木质纤维素类生物质原料水解成单糖形式是利用生物质合成乙醇及其他重要化合物的关键步骤。液体酸(如硫酸、盐酸等)催化剂由于成本低、反应迅速且水解效果好而被广泛使用，但是液体酸腐蚀性强，设备需采用昂贵的防腐处理，造价高；水解液中的糖会继续发生降解反应；催化剂难于循环利用，产生大量含酸废液，不符合目前倡导的绿色化工要求，因而其发展具有局限性。生物质碳基固体酸催化剂是以生物质为原料进行不完全碳化后，经磺化处理负载上酸性基团所得，与硫酸相比具有相当的催化性能，具有容易分离、可重复利用的特性，水解所生成的糖不易发生降解。

固体酸催化剂多是起源于生物柴油方面，目前已有学者开展了固体酸的制备及其催化纤维素或生物质原料水解的研究。中国专利201010209911.7公开了一种利用农林废弃物(如秸秆、竹屑、木屑中的一种或多种的混合物)制备固体酸催化剂的方法，中国专利201410291323.0公开了一种以薯类为原料制备耐高温可再生炭基固体酸催化剂，这2种方法都是通过热解碳化-磺化法制备固体酸催化剂；中国专利201110432081.9公开了一种利用玉米芯水解糖化的方法，该方法以玉米芯残渣为碳源，在低温加热条件下碳化得到碳材料，干燥后的碳材料经过磺化剂磺化后得到碳基固体酸材料，利用该碳基固体酸材料对玉米芯进行水解糖化获得单糖。

将现有开发的技术制备生物质碳基固体酸催化剂，并将其应用到预水解过程，这对半纤维素的开发利用具有重要的意义。为了纯化预水解液并且充分利用其中的各个组分，预水解液需经进一步分离，再将半纤维素转化为单糖，但是本发明中为方便起见，未对预水解液分离，直接考察了生物质碳基固体酸催化剂的酸水解效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用生物质碳基固体酸催化剂提高预提取半纤维素及其水解糖化效率的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用生物质碳基固体酸催化剂提高预提取半纤维素及其水解糖化效率的方法，以木材类生物质材料为碳源，粉碎过筛收集粉末，通过碳化-磺化法制备固体酸；利用该固体酸催化预水解过程，提高半纤维素脱除率；利用该固体酸对预水解液进行进一步地水解糖化得到单糖类化合物。具体步骤如下：

(1)生物质碳基固体酸的制备：以来源广泛的木材类生物质材料为碳源，切片粉碎过筛收集粉末，通过碳化-磺化法制备固体酸；

(2)生物质碳基固体酸催化预水解过程：预水解反应温度为60～170℃，反应时间为0.1～9h；底物与固体酸的质量比为1∶0～10，溶剂水与底物和固体酸总固体量的质量比1∶1～0.02；

(3)生物质碳基固体酸催化预水解液水解糖化得到单糖类化合物：水解糖化反应温度为60～170℃，反应时间为0.1～9h，预水解液固形物与固体酸的质量比为1∶0.1～10，溶剂水与预水解液固形物和固体酸总固体量的质量比1∶1～0.02。