[发明专利]一种木质纤维素生物质的综合利用工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种综合利用木质纤维素生物质的方法，具体地说是一种综合利用木质纤维素生物质中纤维素、半纤维素和木质素的方法。

背景技术

随着化石燃料资源的日趋枯竭和环境污染的日益严重，利用再生能源为石化产品的替代品变得愈加重要。而燃料乙醇是生物质液体能源的物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(玉米、木薯等)和糖类(甘蔗、甜菜等)作为发酵的原料。采用微生物法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行。现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素生物质。

木质纤维素生物质以植物体的形式存在，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素占40％左右，半纤维素占25％左右，木质素占20％左右，地球上每年由光合作用生成的木质纤维素生物质总量超过2000亿吨，因此木质纤维素生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。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，因此选用合适的工艺在不破坏纤维素、半纤维素和木质素活力的前提下，最大限度的将三者分离且提取已经成为了该工艺研究的最大热点。

目前，对木质纤维素生物质中三种主要成分的提取主要是使用酸解提出半纤维素、通过碱解提出木质素、所剩的纤维素再通过纤维素酶生成所需的乙醇等目标产物。但整个工艺步骤繁琐，期间要经过酸解和碱解的分解作用，也会一定程度的损失所需产物。

中国专利CN101864683A公开了一种木质纤维原料的预处理方法，该专利将木质素原料与有机酸溶液和催化剂的混合液混合后，进行第一步处理，得到液固混合物并进行固液分离，得到预处理液和纤维素固体；采用有机酸溶液洗涤得到纤维素固体；得到的预处理黑液与得到的洗涤黑液混合后循环用于第一步处理过程；然后将循环使用至少3次的混合黑液进行有机酸、木素产品和糖浆溶液回收。将收集的黑液进行闪蒸或蒸发，得到有机酸和浓缩黑液，向黑液中添加2-10倍体积的水得到木素产品和糖浆溶液，而回收的有机酸则回流用于第一步处理，从而实现木质纤维原料的高值化利用。但该专利也存在以下缺点：1、从说明书中的描述可以看出，该工艺是采用有机酸与以硫酸为代表的催化剂混合进行第一步催化，反应过程中需要添加催化剂进行催化；2、该工艺采用有机酸和以硫酸为代表的催化剂共同酸解生物质，在蒸馏有机酸步骤中，若有机酸蒸馏不完全，则木质素无法完全析出，若将有机酸完全蒸馏出后，则加入其中的硫酸浓度上升，会使得其中的木质素炭化，影响木质素的提取率；3、虽然整个工艺中提取和洗涤纤维素均使用相同的有机酸，且将收集的预处理液和洗涤液直接用于循环至第一步的反应釜中，但整个混合液内也大量积聚了溶解其中的木质素和戊糖溶液，鉴于有机酸萃取的饱和度限制，其混合黑液提取木质素的有效程度会大幅降低，因此，该步骤虽然是循环反应，但对于整体的提取效率作用并不大；4、收集的预处理液和洗涤液中由于溶解有大量半纤维素酸解生成的戊糖，而戊糖随着混合液多次循环过程中会不断的与有机酸相接触，发生酯化反应生成酯类，该专利是以木质纤维素生物质的综合利用为目的，因此对于整条工艺是否可以单独得到戊糖并不在意，但对于以分离得到戊糖为目的的工艺而言，该工艺并不适用；5、混合得到的黑液需要循环3次以上再进行蒸发处理以分离出有机酸，并稀释得到的浓缩液使得木质素析出，会使得一次性处理的黑液和浓缩液的数量极大，不仅影响处理效率而且也难以实现工艺的连续性；6、从说明书中可以看出，该工艺中纤维素的提取率仅为38-55％、木质素提取率为6-16％，整个工艺的提取率相对比较低。