[发明专利]一种完全溶解木质纤维素生物质的方法及其设备和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物质溶解技术领域，具体涉及一种完全溶解木质纤维素生物质的方法。同时，本发明还涉及该溶解方法使用的设备以及该方法的进一步应用。

背景技术

自然界中的木质纤维素生物质如木材和草类，大约是由50％的纤维素，25％的半纤维素和20％的木质素组成。其中纤维素主要用于造纸，同时，纤维素和半纤维素经水解能够降解为糖类，进而用于生产酒精。现有的木质纤维素生物质溶解方法主要使用间歇式或半连续式渗透反应器，在200℃～300℃下溶解反应15分钟。该方法只能将大约40％～60％的木材或草类溶解并水解为水溶性的物质，不仅生产效率很低，而且反应时间过长，易造成糖类产品的二次分解。同时，剩余的未溶解的生物质将热分解为固体残留物(如炭)，会造成反应设备堵塞，需要经常清理，因此无法使用高压连续反应器进行连续生产。

最新研究表明，高压热水是一种弱极性溶剂，既呈酸性也呈碱性，因而它能溶解生物质，并使水解反应在均相中进行。Sasaki等人发现，纤维素在320℃和水密度大于1000kg/m³的条件下，能够完全溶于水(参见Sasaki，M.；Fang，Z.；Fukushima，Y.；Adschiri，T.& Arai，K.“在亚临界和超临界水中溶解和水解纤维素，”工业工程化学研究，39，2883-28902000)。之后Ogihara等人进一步发现：在水密度550至1000kg/m³范围内，完全溶解纤维素的温度有一极小值320℃，发生于水密度850kg/m³。(参见Ogihara，Y.；Smith Jr.，R.L.；Inomata，H.& Kunio A.“在亚临界和超临界水中，水密度550至1000kg/m³范围内，直接观察纤维素的溶解，”纤维素，12，595-606，2005)。上述发现均针对纯纤维素，由于天然木材或草类中只含约50％的纤维素，人工分离纤维素不仅工艺复杂，而且成本高昂，因此难以实现工业化应用。如何实现天然木质纤维素生物质的完全溶解就成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种完全溶解天然木质纤维素生物质的方法，该方法操作简便、成本低廉，能够实现连续化的工业生产。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述溶解方法的设备。

本发明的目的还在于提供上述溶解方法在工业生产中的进一步应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

除非另有说明，本发明所采用的百分数均为体积百分数。

一种完全溶解木质纤维素生物质的方法，包括以下步骤：

1、将木质纤维素生物质置于重量浓度为1.9～10％的碱性水溶液中，固液体积比为0.003～1.1∶1；

2、将纯水加热至329～367℃；

3、混合步骤1和2所得物置于反应器中，生物质浓度为0.1％～35.1％，调节混合后的物料pH值＞11.4，设定压力为14～106Mpa，快速加热至329～367℃，加热速率为7～16℃/s，0.7～2秒即可完全溶解木质纤维素生物质。

所述的碱性水溶液例如Na₂CO₃、HCOOK、KOH、NaOH、HCOONa等，其中优选Na₂CO₃。

所述的Na₂CO₃水溶液重量浓度优选为2.4％。

上述完全溶解木质纤维素生物质的方法在制备微米级木粉颗粒中的应用。即：待木质纤维素生物质完全溶解后，将溶液快速冷却至室温，设定冷却速率为5～10℃/s，沉淀得到微米级木粉颗粒。

上述完全溶解木质纤维素生物质的方法在酒精生产中的应用。即：待木质纤维素生物质完全溶解后，继续加热至400℃，然后自然冷却至室温，生物质中的纤维素和半纤维素全部分解为糖类物质，该糖类物质可用于生产酒精。

一种完全溶解木质纤维素生物质的设备，其特征在于：纯水容器通过高压泵与反应器注料口相连，高压泵与反应器注料口之间设置有预热器，生物质物料容器通过高压泥浆泵与反应器注料口处的纯水输送管道相连，反应器外部设置加热装置，生成物容器通过调压阀、冷却器与反应器出料口连接。

所述的反应器为管式连续反应器。

所述的加热装置为电加热炉。