[发明专利]一种水和氨耦合预处理生物质的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物及能源化工技术领域，具体涉及一种能够实现木质纤维素水解后，各种水解产物能得到高效全利用的生物质预处理方法。

背景技术

生物质能源是新能源的重要组成部分，是一种天然、取材丰富的可再生能源。不同于传统的直接燃烧，利用生物质生产制备液体燃料和化学工艺品能够获得更高的附加值，具有广阔前景。由糖平台出发制取燃料及化工品已成为当今研究趋势，而由木质纤维素水解制取糖中间体就成为重要基础。木质纤维素水解是指在一定催化剂和反应条件下，纤维素和半纤维分别水解为六碳糖和五碳糖的过程，依据所用催化剂的不同，木质纤维素水解制取糖主要包括以酸作为催化剂的稀酸水解和浓酸水解以及以酶为催化剂的酶水解。

浓酸水解，是通过溶解和水解反应两步将纤维素和半纤维素水解为葡萄糖和木糖，是温度范围100℃以内，酸浓度30％以上的常压反应，所用催化剂为硫酸，盐酸，硝酸等无机酸，具有糖回收率高(单糖收率可达90％以上)，反应较快，适合处理多种木质纤维素类生物质。但同时也有工艺复杂，成本高，对设备腐蚀性强，浓酸需分离浓缩回收增加工艺复杂程度等缺点。

同浓酸水解相比，稀酸水解反应温度更高，温度范围为100-300℃，所用酸为浓度在8％以下的无机酸，通常需要在高压下进行反应，稀酸水解一般采用二级水解方案：第一级水解半纤维素，第二级水解纤维素。优点是反应迅速，适合产业化生产，缺点为反应副产物多，且对设备要求高，糖会部分降解为有毒副产物，水解液需脱毒处理，目前作为预处理手段为酶水解提供底物是重要发展方向。

酶水解是指利用纤维素酶作为催化剂将聚糖水解为单糖的技术，同酸水解相比，反应条件温和，在温度45-55℃，pH4.5～6之间进行，产物单一，糖收率可达95％以上，且产物不会发生二次降解，不会产生发酵抑制物，已成为木质纤维素制糖的重要发展方向，另一方面，也有着反应时间长，酶生产成本高，易失活的缺点，经济性差。同时木质纤维素纤维素-半纤维素-木质素三维复杂结构阻碍酶分子同纤维素之间的作用，需进行预处理对其进行破坏才能获得较为理想的酶解效率，而预处理是木质纤维素制取糖的整个过程中耗能最高的环节，因此，高效低耗的预处理技术对提高木质纤维素产糖技术经济性至关重要。

目前在中国专利库查询到的，关于木质纤维素类生物质的水解技术方面的包括：中国专利“一种包含酸回收的木质纤维素预处理的方法及其系统”(公开号为CN101235605)，主要以稀酸、碱液、球磨相结合的手段预处理生物质；中国专利“一种木质纤维素预处理方法及其系统”(公开号为101235606)，以盐酸和氯盐为催化剂预处理生物质；中国专利“一种木质纤维素类生物质高效酶水解的方法”(公开号为CN102174594)，将生物质置于稀酸环境中高温高压预处理；中国专利“一种生物质绿色高效预处理方法”(公开号为CN101586136A)，以及中国专利“提高酶水解率的木质纤维素预处理方法”(公开号为102676612)，提供直接以高温液体水预处理生物质的方法，绿色环保也高效；中国专利“一种木质纤维素的联合预处理方法及其系统”(公开号为CN101230546)，公开了一种以离子液和碱预处理生物质的方法。

通过对现有技术的研究发现，木质纤维素生物质预处理的方法多种，但利用高温液体水预处理生物质的方法在多种方法中极具研究价值，高温液体水的处理方法具有成本低、效率高、环保、对设备要求较低等优势。

其次，用碱处理生物质也较为理想，由于木质素可以溶于碱性溶液，碱性物质可以破坏木质素结构，利于酶水解的进行。但传统的NaOH处理，对于设备要求较高、且副产物较多。

发明内容

本发明提供一种高效的生物质预处理方法，实现木质纤维素的高效全利用，在生产环境友好的基础上，达到环保、节能减排的目的，并且能有效地降低生产成本，减少副产物的产生，提高产品的利用率。

本发明采用高温液态水-氨法两步预处理工艺，将木质纤维素水解为富含木糖的水解液及富含碱木素和铵盐的残液；经过预处理之后得到以纤维素为主要成分的固体产物，并在固体产物加入纤维素酶进行酶解，将纤维素水解为以葡萄糖为主的液态产物；同时利用氨法预处理之后的残液通过氨回收装置回收氨水回用。

本发明技术方案如下：

一种水和氨耦合预处理生物质的方法，以木质纤维素类生物质为原料，采用了高温液态水-氨法两步预处理工艺，具体包括以下步骤：