[发明专利]一种木质纤维材料超高压爆破前处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及开发利用非粮食木质纤维类生物质资源所需的木质纤维材料前处理技术，具体涉及木质纤维材料超高压爆破前处理技术，属于木质纤维材料生物化工领域。

背景技术

植物通过光合作用形成的物质资源统称为生物质资源，由粮食类生物质资源和非粮生物质资源两大部分组成。非粮生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成，并可能同时含有少量的果胶、几丁质、蜡质、硅酸盐等成分，不同种类的材料不同，所以也称为木质纤维材料。木质纤维材料中纤维素组分通常占40～50％，半纤维素组分占25～30％，木质素组分占15～25％。纤维素组分为D-葡萄糖单体通过β-1，4糖苷键连接构成的线状多聚葡萄糖分子，以高度结晶化的纤维束存在，其结晶状况以结晶度，即结晶纤维素含量占总纤维素含量的百分比表示，一般为50％～90％，不同的材料不同。半纤维素组分由D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖等五碳和六碳糖构成。但与纤维素不同，半纤维素由不同的糖单元聚合而成，分子链短且带有支链，主链可以由一种糖单元构成，也可以由多种糖单元构成。木质素由一类具有苯丙烷骨架的单体构成，单体之间通过C-C键和C-O-C键相互连接，为一类高度复杂的无定形高聚物。木质纤维材料实质上是植物的细胞壁，而且大部分是木质素化的次生细胞壁。半纤维素和木质素之间通过共价键相互连接，一起作为细胞间质填充在细胞壁和纤维素的微纤维束之间，也覆盖在纤维素的表面，把相邻的细胞紧密连在一起，形成一个相当坚实的结构，能够抵抗各种微生物的侵袭和纤维素水解酶系的作用。

木质纤维材料是地球上最大的自然资源，也是目前公认的唯一的可再生资源，对其开发利用并不影响人类的粮食生产和供应。鉴于其纤维素和半纤维素组分均由单糖单体聚合构成，理论上，可利用其单糖通过微生物发酵生产生物质能源或合成各种生物基材料。随着石油等不可再生的自然资源的日益消耗枯竭，开发利用木质纤维资源以解决人类社会今后发展的能源和各种化工原料的持续来源具有相当重要的意义。对此，世界主要国家和广大科学家已作了不懈努力，但至今尚未完全能够实现大规模工业化生产。

由于采用强酸、强碱降解木质纤维材料成单糖组分会导致木质素和各种单糖的分解，而且造成环境污染，通常采用较温和的酶法降解。不过，自然界存在的木质纤维材料并不能直接酶解。在添加了极过量作用酶的条件下，最多也只能降解15％～20％左右。目前认为，阻碍酶解的主要因素有木质素、半纤维素等组分在纤维素表面的覆盖并形成坚实的复合结构，即木质纤维材料本身的结构，不同的材料不同，纤维素本身的高度结晶化，木质素对纤维素水解酶的非作用性吸附等。因此，必须对其先进行前处理。对此，国内外已进行了数十年研究，公开文献已报道了多种前处理工艺(方法)，如蒸汽爆破法、液相热水处理、稀酸处理或稀酸渗透处理(通常用硫酸)、碱处理(使用石灰或氢氧化钠)、氨爆处理(AFEX)、氨循环渗透(ARP)、微波处理、超临界处理、原子能辐射处理等。但这些方法尚未完全理想，主要的不足是：1、工艺复杂或对设备的要求很高；2、生产周期过长或生产成本过高；3、有些工艺(如蒸汽爆破法和稀酸处理法)还产生对微生物发酵有害的物质。另外，对这些技术处理过的木质纤维材料进行酶解往往要求纤维素水解酶系含有较高的β-葡萄糖苷酶活性，以消除酶解过程中积累的纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制作用，保证酶解反应的顺利进行，得到较高的酶解率。

高压均质技术自上世纪70年代发明以来一直被广泛用于乳制品和乳化产品的生产。80年代被成功作为破碎多种微生物细胞的主要手段，广泛用于生物技术产业。另有公开报道将其用于由纸浆纤维素浆液生产纳米材料的加工工艺。但该技术理论上只适用于对液体或悬浮状微细颗粒物料的加工，将其用于固体状态的木质纤维材料的前处理至今未见报道。

发明内容

本发明针对现有木质纤维材料前处理技术的不足，目的在于提供一种超高压爆破前处理方法，有效破坏木质纤维材料的超微结构，使之由坚实的纤维状转变为松散的中空多孔状，颗粒超微化，结晶度降低，从而显著提高其酶解率和总糖回收率，使非粮生物质资源得到更便捷有效的利用。

本发明通过以下技术方案实现：

一种木质纤维材料超高压爆破前处理方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)物料干燥、粉碎：物料可自然干燥，也可70～80℃加热烘干，然后用普通悬锤式粉碎机粉碎，过40目筛网；对于湿物料，也可以直接用磨碎机磨碎，然后过40目筛；