[发明专利]一种从生物质原料中提取木质素的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种木质素提取工艺，具体地说是一种利用过氧有机酸从生物质原料中提取木质素的工艺。

背景技术

木质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，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。因此，开发清洁的、可有效提高木质纤维原料酶解性能的预处理工艺，是实现木质纤维原料的生物炼制和高值化利用的关键。

以植物体的形式存在的生物质原料，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生物质原料总量超过2000亿吨，因此生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。

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；将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；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。将收集的黑液进行闪蒸或蒸馏，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，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蒸煮生物质，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、混合得到的黑液需要循环3次以上再进行蒸馏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；5、从说明书中可以看出，该工艺中木质素提取率仅为6-16%，整个工艺的提取率相对比较低。

中国专利CN101514349A公开了一种由竹材纤维制备燃料乙醇的方法。该专利也是以甲酸和乙酸的混合酸液蒸煮水解半纤维素，并直接向脱出的滤液中加水析出木质素沉淀以此分离出木质素加以利用。由于其采用甲酸和乙酸的混合有机酸液作为蒸煮液，因此无需添加催化剂，该专利虽然在一条工艺线路中将纤维素、半纤维素和木质素相分离，但该工艺的设计也是以提取纤维素作为最终目的的，整条工艺的设计并没有考虑木质素和戊糖的损失；这从其选用的甲酸浓度为10%、乙酸浓度为70%即可看出，当有机酸液中甲酸的含量明显低于乙酸的含量时，由于乙酸的酸性弱于甲酸，因此生物质中纤维素骨架的打散程度较差，会进一步阻碍纤维素被蒸煮，最大限度的保留纤维素固体。而鉴于此，缠绕于纤维素骨架周围的木质素的溶解提取液会受到较大的影响，对于以纤维素的提取为最终目的的工艺而言并不适用；而且该工艺在分离木质素一步中加水提取沉淀的步骤中，会因为溶液中大量含有甲酸和乙酸而使得木质素难以全部脱出，即便大量加水也会因为甲酸和乙酸溶解其中而无法保证木质素完全析出，造成木质素损失。显然，该工艺仅重点考虑了最大限度提取纤维素的工艺，对于以木质素为最终提取产物的工艺而言并无指导作用。

中国专利CN1170031C公开了一种用甲酸和乙酸的混合物作为蒸煮化学剂生产纸浆的方法。该专利在以甲酸蒸煮草本植物和阔叶树生产纸浆时，添加乙酸作为附加的蒸煮化学剂，即可得到含有半纤维素和纤维素的纸浆，并且使用过的蒸煮液蒸馏出甲酸和乙酸的混合酸液进行循环利用，并可以对剩余的浓缩液进行处理得到木质素。该方法虽然解决了蒸煮生物质的过程中需要添加催化剂的问题，但由于该方法主要用于制备纸浆，其目的是最大限度的保留纤维素以及部分的半纤维素，其整个工艺设计均是以此为目的，而对于其中木质素的损失与否并未予以考虑，而且也并未给出对于木质素的处理工艺，因此该工艺对于以木质素为提取产物的工艺而言并不适用。