[发明专利]一种同时提取半纤维素、纤维素以及木质素并回收酚酸类物质的方法

说明书

技术领域

本发明涉及从木质纤维素类生物质中同时提取成各个有用组分的方法。更具体地说，本发明涉及一种处理木质纤维素类生物质，并从中同时提取出半纤维素，木质素与纤维素，并回收酚酸类物质的多段方法。

背景技术

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的有机资源，它是可再生的，通常也称之为生物质。生物质包括所有农业残留物(如谷物的秸秆，壳和糠，玉米秸，甘蔗渣)，专用的纤维作物(如柳枝草，芦苇，竹子，亚麻，大麻和红麻)，木材与森林残留物。

木质纤维素类生物质的三个主要成分是纤维素，半纤维素和木质素。在植物纤维的细胞壁中，交叉联结的木质素和半纤维素的复合体把纤维素纤维胶合在一起形成一种复合材料，即木质纤维素。纤维素(40％-60％以重量计)是一种同时以结晶和无定形形态存在的葡萄糖聚合物。半纤维素(20％-40％以重量计)是由高度分支的短糖链(五碳糖和六碳糖)组成。木糖(五碳糖)是一种最主要的半纤维素糖，尤其是农业生物质和阔叶木。木质素(10％-30％以重量计)是一个由苯丙烷单元组成的复杂的无定形的三维聚合物，它将细胞壁内的纤维素微纤维胶合在一起，使得木质纤维素材料具有机械强度。木质纤维素生物质也含有各种低分子有机物质，例如酚酸类，其中阿魏酸的作用非常重要，它将植物细胞壁内的木质素和半纤维素联结在一起。

当今，人们越来越明显地看到我们所面临的一个前所未有的挑战，即满足日益增长的能源需求和保护环境。生物质是一种廉价的，可再生的资源，可用作能源，化工和材料工业的原料，把它转化为工业产品代表着一个可持续的办法来满足日益增长的燃料和化工产品的需求，尤其是鉴于供应量有限的矿物资源，石油价格的上涨和对环境的关注。

高效地从生物质提取这三种主要化学成分作为高附加值的原材料仍然是一个难题，这是由于生物质复杂的化学结构以及难于工艺优化而不易使获得的产品有足够的产率和商业价值。

在造纸工业中，制浆过程用于分离木质纤维素原料中的纤维素和木质素等成分，在这些过程中，半纤维素和木质素的价值没有得到足够的利用，只有约40％的物质以可用的形式回收，以广泛使用的硫酸盐法制浆工艺为例，大部分的半纤维素和木质素溶解到黑液中，并随后被烧掉。

许多用来生产纤维素乙醇的木质纤维素原料的分离工艺方案都忽视木质素的其它可能用途，而只是建议将它焚烧回收热能。这些生产单一大宗产品的模式，由于没有充分利用生物质原料，有一个共同的特点，经济效益非常差。生物炼制概念似乎是一个很有希望的途径，使生物质产业更具有商业吸引力。类似于石油炼制，生物炼制工厂是一个综合设施，其中生物质被加工，分级，转化生产一系列的高附加值产品，根据这一概念，几乎所有生物质的组合得到利用。

因此，需要有一个容易工业化的工艺过程，可把木质纤维素生物质的三个主要成分单独分离开来。同时，有必要建立一个完善的工艺过程，且可用常规设备，依次提取高质量及高产率的半纤维素，木质素和纤维素组分。

尤其有必要建立一种有效的分离方法，能最大限度地减少半纤维素和木质素的降解，并使其以有用的形式回收。此外，还需要一个回收酚酸类的方法，主要是阿魏酸，作为高价值的共同产品。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供了一个多段的工艺方法，可以将木质纤维素高效率的分离成单个化学组分，即高得率和高纯度的半纤维素，木质素，纤维素和酚酸类。本发明的另一个目标是提供一种高效率且容易工业化的工艺方法，从木质纤维素中提取高质量的半纤维素，木质素和纤维素，同时，最大限度地回收这些产物并减少它们的降解。

本发明的方法涉及将木质纤维素类生物质先以热水处理，这一段处理产生一个富含半纤维素和酚酸类的第一液相产物和一个第一固相产物，然后将此得到的第一液相产物和第一固相产物进行分离。

第二段处理是脱木质素。将以上得到的第一固相产物分解成一个富含木质素的第二液相产物与和一个富含纤维素的第二固相产物。然后将这第二液相产物和第二固相产物进行分离。

在热水处理段和脱木质素处理段之间，可以选择性地增加一段酶处理。酶处理将以上得到的第一固相产物分解成一个富含半纤维素和酚酸的酶水解液和一个酶处理过的第一固相产物。然后，将上述酶水解液与酶处理过的第一固相产物分离开来。酶水解液与上述的第一液相产物合并成一个结合的第一液相产物。接下来，将此结合的第一液相产物分离成富含半纤维素的级分和富含酚酸的级分。