[发明专利]一种生物质绿色高效预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物化学及化工技术领域，尤其涉及一种纤维素类生物质绿色高效预处理方 法及其实现设备。

技术背景

生物质是世界能源界公认的唯一可固定碳的可再生能源资源，以其生产液体燃料和化工 产品有广阔前景。以生物质生产液体燃料和化工产品有两条技术路线：一是通过生物质气化 获得合成气再通过化学和生化方法实现，另一条研究路线是搭建糖平台，即通过水解，将生 物质中的多糖组分-纤维素和半纤维素水解获得糖类，再进一步加工、处理获得生物汽油、乙 醇、丁醇、木糖醇、乙酰丙酸等能源化工产品。

21世纪的科技发展被称为“糖经济”或“碳水化合物经济”，将植物纤维降解为糖中间 体是推动实现“糖经济”的重要基础和保证，但目前尚无可工业化的方法。木质纤维素类生 物质水解是非常有潜力的技术。

一般意义上的木质纤维素类生物质水解，指在一定温度和催化剂作用下，使其中的纤维 素和半纤维素加水分解(糖化)成为单糖的过程，半纤维素水解产物为以木糖为主的五碳糖， 纤维素水解产物为葡萄糖为主的六碳糖。根据所用的催化剂不同，生物质水解的方法有三种： 以酸作为催化剂的稀酸水解和浓酸水解，以纤维素酶为催化剂的酶水解。

浓酸水解的研究始于十九世纪二十年代，指浓度在30％以上的硫酸或盐酸将生物质水解 成单糖的方法。反应条件为：100℃以内，常压，2-10小时，为均相水解，一般分预处理 和水解两步进行。优点是糖转化率高，无论纤维素还是半纤维素都能达到90％以上；缺点是 反应速度慢，工艺复杂，生产环境恶劣，酸必须回收且费用高。主要用于处理玉米芯、麦秸 等农业废弃物。

酶水解始于20世纪50年代，是较新的生物质水解技术。指利用纤维素酶对生物质中的 固态纤维素进行糖化进而发酵生成乙醇。在常压、45-50℃、pH为4.8左右的条件下进行， 可形成单一糖类产物且产率可达90％以上，生成糖不会发生二次分解，因此越来越受到各国 重视，甚至有人预测酶水解有替代酸水解的趋势。缺点是反应时间长，现有的纤维素酶酶效 低、易失活、难回收，经济性差，很难实现连续性生产，同时纤维素酶的生产要消耗9％左右 的生物质物料。另外，酶水解前必须进行预处理，预处理的目的是除去木质素、溶解半纤维 素、破坏纤维素的晶体结构、增大纤维素酶的可接触表面，酶水解产物得率很大程度上要依 赖预处理的效果。所以酶水解从纤维素酶的生产、应用到预处理的设备、操作成本都很高， 工业化进程受到阻碍。

稀酸水解由法国的梅尔森斯于1856年首先提出，1898年德国人提出木材制取乙醇的商 业构想，第一次世界大战和第二次世界大战期间美国和德国曾以该法建立燃料乙醇工厂，后 期因木材缺乏及廉价石油的供应而停产。稀酸水解一般指用10％以内的硫酸或盐酸等无机酸 为催化剂将纤维素、半纤维素水解成单糖的方法，温度100-240℃，压力大于液体饱和蒸汽 压，一般高于10个大气压。优点是反应进程快，适合连续生产，酸液不用回收；缺点是所需 温度和压力较高，副产物较多，反应器材质要求高。目前有两条研究路线：一是作为生物质水 解的方法，二是作为酶水解最经济的预处理方法。

酶水解是当前公认的生物质水解主流技术，但面临着缺乏高效预处理方法、纤维素酶成 本居高不下等难点。高温液态水法是近年来倍受关注的预处理方法，高温液态水水解(Hot Liquid Water)又称自动水解(Autohydrolysis)，是指在一定温度下和大于该温度饱和蒸汽 压的条件下，使水保持液体状态来水解生物质中的半纤维素。其原理是在高温高压下，水会 解离出H⁺和OH^-，具备酸碱自催化功能，从而完成半纤维素的水解。该法的优点是无需催化 剂，成本低廉，糖类产物回收率高。