[发明专利]一种包含酸回收的木质纤维素预处理的方法及其系统

说明书

技术领域

本发明属于化工领域，具体涉及一种利用盐酸进行木质纤维素预处理的方法和设备及其酸回收的方法及设备。

背景技术

木质纤维素预处理是指利用化学和物理方法，使它的三种成份纤维素与木质素、半纤维素分离开。同时打开纤维素内部氢键，成为无定型纤维素，打断部分糖苷键，降低聚合度，水解半纤维素成木糖、阿拉伯糖等单糖，并提高后续酶解速率。目前预处理的方法有浓酸法、稀酸温烤法、碱处理法、二氧化硫法、过氧化物法、蒸汽爆破法、氨纤爆破法、二氧化碳爆破法、湿氧化法、热液法等多种方法。但其中的很多方法因产率低、环境污染、运行成本高等原因未被推广，其中较为成熟的方法仅蒸汽爆破法及稀酸温烤法两种。

蒸汽爆破法(Brownell and Saddler，1984)是在不加任何催化剂的情况下，利用高压蒸汽(一般200℃～230℃)迅速升温，期间产生的乙酸及水在高温下解离出的H⁺催化木质纤维素中大部分半纤维素水解，并改变纤维素的晶型为无定型结构以有利于后续酶解。但是，由于蒸汽爆破法产生的乙酸及其他一些酸的酸性较弱，导致催化效率较低，反应速率较慢，半纤维水解效果并不是很理想(一般仅65％～70％左右)，并且乙酸也是一种发酵抑制产物；一些未被转化为糖单体的糖低聚体以及一些高温时溶解的木质素会在冷却后沉降黏附于纤维素表面，影响后续酶解；同时这些未被完全水解的糖低聚体要用不同的酶对它们进行酶解，因此要一一利用它们显然不太现实。

稀酸温烤法(Tsao et al.，1982)也是目前使用较为成熟的方法。用低浓度的硫酸(1％～2％)在接近100℃(一般为90℃～95℃)的温度对木质纤维素处理8～24小时，水解半纤维素并改变纤维素晶型、增大其比表面积以有利于后续酶解。但稀酸温烤法的半纤维水解率同样也不高(70％～80％)，而且由于酸浓度太低，催化效率较低，稀酸温烤法所需反应时间较长，动力成本消耗过大，较长的反应时间导致糖单体进一步生成糠醛、甲酸、乙酸、羟甲基糠醛等发酵抑制产物，影响后续酶解。但是，酸浓度提高后虽然可以提高催化效率，随之带来的环境污染问题也成为一大障碍。因此，迫切需要寻找一种既能增加酸浓度又对环境不造成污染的新方法来替代现有的方法，以解决这一矛盾。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种既能有效提高木质纤维素中半纤维素转化率、纤维素酶解转化率以及减少发酵抑制产物，又能对酸进行回收利用，减少环境污染的方法。

本发明的另一目的是提供一种能够配合上述方法的系统。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种包含酸回收木质纤维素的预处理和回收方法，将木质纤维素装入循环反应器中，并注入盐酸，打开循环泵在温度为50℃～200℃下进行循环反应，反应结束后向得到的水解液中加入氯盐并加热，其挥发的HCl和产生的水蒸气被高速水流通过文丘里管产生的负压吸走并溶于通过的水中，通过循环流动回收水解液中的HCl，除酸后的水解液用于发酵。

此方法具体为将木质纤维素(玉米秸杆、麦草、稻壳稻草、甘蔗渣、柳枝、玉米叶、玉米芯等)装入循环反应器中，并注入盐酸，打开循环泵(1)在温度为50℃～200℃(50℃～100℃常压反应，100℃～200℃氮气加压反应)下进行循环反应，反应结束后将得到的水解液通入含有氯盐(MgCl₂、CaCl₂、NaCl或KCl)的储液蒸馏釜，其上设置文丘里管。在对储液蒸馏釜进行加热时，由于氯盐的存在，大部分HCl及一部分水可以从反应液中挥发，启动循环泵(2)高速水流通过文丘里管，产生负压把挥发的HCl和部分水蒸气吸走，并溶于通过的水中，通过不断的循环流动最终达到回收反应液中HCl的目的，同时提高了糖浓度。

其中所述的盐酸为质量分数为5％～15％的盐酸；木质纤维素与盐酸的固液质量比为1∶5～15。

循环泵1的流速为5～15L/min。反应超过100℃时，循环反应采用氮气加压，加压到2～4MPa。

循环泵2的流速为10～100L/min。氯盐在盐酸中的摩尔浓度为0.1％～5％。

反应结束后储液蒸馏釜内的反应液最后通过离子交换树脂除去氯盐后用于后续发酵。循环反应器内剩余的木质纤维素(绝大部分为纤维素)用水冲洗后取出用于后续酶解，即先用热水冲洗以除去残酸和残留的木质素，随后取出用于后续酶解。