[发明专利]一种以共轭酸碱对为介质的木质纤维素抽提方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以共轭酸碱对为介质的木质纤维素抽提方法，属于生物质精炼领域。

背景技术

在传统的制浆造纸产业中，生物质原料中大部分半纤维素在蒸煮过程中溶出，在碱回收过程中与黑液中的木素一起燃烧掉。这对于热值只有木素一半的半纤维素来说，造成了资源的严重浪费。结合当今全球范围内的能源危机与资源短缺，与制浆造纸产业相结合的生物质精炼新模式得到世界各国的广泛关注，在蒸煮前对生物质原料进行预处理，将半纤维素预先抽提出来，避免了其在蒸煮中被降解进入黑液中，抽提出的半纤维素可以用来生产高附加值产品，包括保健品、饲料、化学品和材料等；抽提后的植物纤维原料可继续用于纸浆和纸张的生产。这样不仅对半纤维素的充分利用开辟了新的方向，还给造纸企业带来高附加值的经济效益。因此，从木质纤维素中抽提出半纤维素得到低聚糖等高附加值产品对传统制浆造纸工业的转型升级具有重要的意义。

对半纤维素抽提方式的不同影响着半纤维素的溶出情况，目前主要研究的半纤维素预处理方式有酸预处理、碱预处理、自水解预处理等。

华南理工大学唐杰斌等人利用稀硫酸与乙酸分别对龙须草进行了预水解，其中稀硫酸预处理条件为：预处理温度160℃，预处理时间60min，稀硫酸浓度0.2％，液比为1:5(固体的质量和液体的体积比，下同)，预处理液中糖的总量为41.39g/L，其中单糖的比例高达88.79％，乙酸含量为5.58g/L，糠醛含量为0.69g/L，羟甲基糠醛含量为0.11g/L；乙酸预处理工艺为：预处理温度160℃，预处理时间60min，乙酸浓度0.5％，液比为1:5，糖的总量为42.70g/L，其中单糖的比例为46.11％。糠醛含量为1.45g/L，羟甲基糠醛的量为0.27g/L。参见唐杰斌等人，基于溶解浆/生物质精炼复合模式的龙须草预处理方法及组分结构的研究[D]。广州：华南理工大学博士学位论文，2012。

中国专利文献CN101514530(申请号：200810042385.2)公开了一种改进后预水解碱法制造蔗渣溶解浆的方法，其预水解工艺为：硫酸或盐酸浓度0.1～10.0wt％，预处理温度80～140℃，液比1:4～1:15，预处理时间30～400min，预水解后的残余原料进行碱法制浆。中国专利文献CN102212974A(申请号：201110141167.6)公开了一种以大麻杆为原料进行混合有机酸预水解生产溶解浆的方法。预水解包括常压或带压预水解，常压预水解的条件为：酒石酸0～2％，醋酸0～5％，液比1:0.5～1:100，时间0.5～100h，温度5～100℃；压力预水解：酒石酸0～2％，醋酸0～5％，液比1:1～1:100，时间2～300min，温度100～180℃。中国专利申请CN103774478A(201410044932.6)公开了一种草酸强化竹材预水解去除半纤维素的方法，竹材经备料后用清水和草酸在蒸煮立锅内进行高温预水解，预水解液中草酸的浓度为5～10wt％。

以上酸预处理是目前研究较多的预处理方法，常用的无机酸包括硫酸、盐酸、硝酸和磷酸，在植物纤维原料预水解体系中加入无机酸进行预处理，其预水解液中的pH值较低，提高了预水解反应的强度，在较低温度和较短时间内即可去除原料中大部分半纤维素，但大量的半纤维素严重降解为单糖，并且单糖会进一步发生降解反应生成甲酸、乙酸、糠醛和羟甲基糠醛等产物，大大降低了低聚糖的得率；有机酸预处理包括乙酸、草酸、马来酸和富马酸，在有机酸提供的酸性环境下，脱出的半纤维素也形成了相当量的单糖和糠醛等产物，同时有机酸也参与了脱木素反应，造成预水解液中木素含量较高。此外，酸预处理特别是无机酸会对设备造成一定的腐蚀，对预处理设备的要求较严格，一定程度上增加了预处理过程的投资。

迟聪聪等对桉木木片的碱处理进行了研究，在预处理温度为90℃，预处理时间2h，碱浓为8％时，聚戊糖的提取率为9.9％。参见迟聪聪等人，阔叶木生物质精炼两种利用模式的研究-与碱法制浆相结合/转化制备生物乙醇[D]，广州：华南理工大学博士学位论文，2010。

碱预处理对植物纤维原料的作用与酸不同，酸预处理对木质素的降解效果较小，而碱会大量降解木质素，而对半纤维素的作用较小。预处理液中富含木质素及其衍生物，增加了半纤维素分离和提纯的难度，并且其强碱性会对环境造成污染。