[发明专利]一种木质纤维原料的预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质化工领域，特别是涉及一种木质纤维原料的预处理方法，提高木质纤维原料纤维素酶催化水解效率，可实现高纯度木素、乙醇和半纤维素产品的联产。

背景技术

近年来，由于能源短缺和环境破坏的日益严重，发展燃料乙醇，特别是非粮乙醇，如纤维素乙醇作为替代能源受到了世界各国的关注。木质纤维原料是自然界中最为丰富的有机物。据估计，植物体每年通过光合作用产生的干物质高达1500-2000亿吨，是地球上唯一可超大规模再生的实物性资源。在我国，每年产生的农作物秸秆有7亿多吨，相当于3.5亿吨标准煤，森林采伐加工剩余物1000多万吨，蔗渣400多万吨，但每年用于工业过程或燃烧的纤维素资源仅占2％左右，还有很大一部分未被利用。

在木质纤维原料生物转化生产可发酵糖过程中，由于纤维素被半纤维素和木素组成的空间网络包裹，降低了其对纤维素酶的可及性，因此要得到较高的酶解糖得率，原料往往需要经过预处理以提高其酶解性能。预处理的作用主要是改变天然纤维的结构、降低纤维素的结晶度、脱去木质素和/或半纤维素，增加酶与纤维素的接触面积。

目前人们已开发了多种可提高纤维素酶解效率的物理、化学预处理方法，如辐射处理、粉碎、高压热水、有机溶剂、稀酸、低温浓酸、酸催化的蒸气水解、蒸汽爆碎、液氨爆碎、碱水解及使用非离子表面活性剂等。但目前所开发的预处理工艺往往只单纯地强调提高纤维素酶解效率，较少考虑到木素和半纤维素的有效利用。此外，目前所开发的大多数预处理工艺，例如稀酸预处理、蒸汽爆破等，通过水解半纤维素和改变木素结构等途径来提高纤维素的酶解效率，而大部分木素仍残留在纤维素固体中。这一方面降低了纤维素的含量，限制了同步糖化发酵生产乙醇过程中葡萄糖的浓度，另一方面导致了纤维素酶的无效吸附，造成纤维素酶的损失。此外，木素的存在会增加体系的不均匀性和发酵过程中的搅拌能耗、限制发酵传质进行，而发酵后的木素残渣通过燃烧回收热量仅使木素的利用处于最低附加值的水平。

事实上，木素是一种很有价值的化工原料，高纯度的无硫木素可用做酚类树脂、聚氨酯泡沫、环氧树脂等聚合物添加剂以及土壤改良剂、农药缓释剂等(Zhang Y.-H.Percival.Reviving the carbohydrate economy via multi-product lignocellulosebioreWneries.J Ind Microbiol Biotechnol(2008)35：367-375.)，木素应用在这些方面可使其附加值远高于作为燃料燃烧后回收热量的附加值。目前，木素主要是作为制浆造纸副产品生产的，例如木素磺酸盐、硫酸盐木素等。但这些木素含有硫元素同时木素纯度较低、成分复杂、分子量分布广、粘度低、分散度高、加工性能差、几乎没有热塑性能，因而大大限制了其工业应用(罗学刚.高纯木质素提取与热塑改性.北京：化学工业出版社，2008)。因此，开发清洁的、可有效提高木质纤维原料酶解性能同时得到半纤维素和高纯度、高附加值木素产品的预处理工艺，是实现木质纤维原料的生物炼制和高值化利用的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种木质纤维原料的预处理方法，以提高木质纤维素的酶解性能，同时得到高纯度木素产品和糖浆溶液。

上述目的是通过以下技术方案实现的

本发明提供了一种木质纤维原料的预处理方法包括采用有机酸和稀酸或稀碱的两步法对木质纤维原料进行预处理，具体工艺包括以下步骤：

(1)将木质纤维原料与含有催化剂的有机酸溶液按3∶1-20∶1(L/kg)的液固比混合后进行第一步处理，得到液固混合物；

(2)分离步骤(1)中得到的液固混合物，得到预处理黑液和纤维素固体；

(3)采用有机酸溶液洗涤步骤(2)中得到纤维素固体，得到洗涤黑液和纤维素固体；

(4)采用稀酸或碱进行第二步处理步骤(3)中得到的纤维素固体；

(5)将步骤(2)中得到的预处理黑液与步骤(3)中得到的洗涤黑液混合后，得到混合黑液并循环用于步骤1)中的第一步处理过程；

(6)将步骤(5)中循环使用至少3次的黑液进行有机酸、木素产品和糖浆溶液回收。

所述步骤(1)中所使用的有机酸为脂肪族有机酸，优选选自甲酸、乙酸或丙酸；所使用的催化剂为无机酸，优选选自硫酸、盐酸、硝酸或磷酸。

所述步骤(1)中第一步处理的条件为：有机酸的质量浓度为30-100％，催化剂的质量浓度为0-2％，液固比(L/kg)为基于原料重量的3∶1-20∶1，温度为50℃-200℃，处理时间为0.25-5.0h。