[发明专利]一种以木质纤维素为原料制取高浓度戊糖溶液的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以木质纤维素为原料制取高浓度戊糖溶液的方法，属于木质纤维素综合利用技术。

背景技术

随着石油价格的逐年攀升，寻找一种可以替代化石燃料用来生成燃料和化学品的资源就十分重要。木质纤维素类生物质被认为是一种最有可能替代化石燃料来生产生物化学品的可再生资源，随着人们对环境保护和可持续发展问题的日益关注，将经济发展模式由化石燃料为基础走向以生物质为基础成为21世纪的最大的特点。

木质纤维素类生物质包括农业林业生产的剩余物废弃物和草类等，如农作物秸秆、玉米芯、甘蔗渣、果核和木屑等，它们主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素含量为木质纤维素的30-50%，半纤维素含量约为10-40%，木质素约为5-30%。我国每年形成的农业废弃物高达7亿吨，其中大部分被焚烧或抛弃，既浪费了大量有用资源，又造成环境污染。这些生物质原料中纤维素部分可水解得到葡萄糖、酶解得到燃料乙醇，半纤维素部分可转化为木糖和阿拉伯糖，木质素部分可用于制备苯酚等化工产品。充分利用木质纤维素资源可提高广大农业劳动者的经济收入，减轻环境污染，缓解我国对化石原料的依赖，对我国的循环经济和可持续发展具有重要意义。

目前，半纤维素主要采用浓酸或稀酸进行水解来制备木糖，常用的催化剂为硫酸、盐酸和磷酸。浓酸水解过程采用70%的硫酸，在60-100℃下反应2-6 h。稀酸水解的经济性优于浓酸水解，一般酸浓度为0.5%-2%，反应温度为120-130℃，水解时间为2-3 h。采用无机酸作为催化剂的特点是催化剂价格低，工艺简单。但是，采用无机酸催化剂对设备腐蚀严重，同时会产生大量废水和废渣污染环境。除此之外，无机酸会导致木质纤维素水解产物的过度反应，产生不利于后续微生物发酵中微生物成长的物质，例如糠醛、羟甲基糠醛等。因此，研究者尝试利用有机酸水解生物质，有机酸催化剂具有选择性好，副反应少等特点，可用于水解半纤维素制备木糖和阿拉伯糖，同时可以解决设备腐蚀、污染物排放问题。然而，有机酸催化水解的主要问题是酸性较弱且价格昂贵，回收工艺复杂，戊糖生产成本高。因此，开发有效的有机酸催化剂，解决催化剂成本和回收问题成为其工业化的关键问题。

我国专利报道的半纤维素水解制备戊糖的工艺绝大部分都是采用无机酸作为催化剂，如中国专利CN103045685A公开了一种利用木质纤维素制备戊糖溶液的工艺，采用无机酸如硫酸、盐酸等无机酸在100-150℃条件下水解，通过多个反应釜串联来提高半纤维素的水解程度。该过程使得半纤维素的提取率达到80%，但是其得到的戊糖溶液浓度仅有30 g/L左右。中国专利CN1432574A公开了一种由生物质水解制备还原性单糖的方法，该过程使用0.25-5%盐酸为催化剂，0.25-3%的FeCl₂为助催化剂，将水解液中戊糖浓度提高到60 g/L，但其没能完全解决无机酸催化的设备腐蚀问题。中国专利CN103131017A公开了一种从生物质原料中提取木质素的方法，其中包括使用40-90%甲酸和5-50%乙酸作催化剂来去除生物质中的半纤维素组分，文中并未提及半纤维素的水解率，且过高的酸浓度会使得成本上升。中国专利CN101402659A公开了一种去除生物质中半纤维素的方法。该方法仅使用Fe³⁺作催化剂来催化水解反应，得到了较高的木糖回收率，同时减少了副产物糠醛的生成。但从其实例中可以看出，在液固比较低时，半纤维素的去除率仅有80%；增加液固比可以提高半纤维素的水解程度，但同时得到的戊糖溶液浓度也迅速下降。中国专利CN102766703A公开了一种水解木质纤维素中半纤维素的方法，该方法通过水解两批新鲜木质纤维素原料来达到提高水解液中戊糖浓度的效果。该过程使用甲乙混酸为催化剂，氯化钠、氯化钙和氯化铝为助催化剂。而本发明仅使用低浓度甲酸为催化剂，通过加入少量铁盐来提高半纤维素水解程度，虽然也是二次水解过程，但是相当于每一批新鲜木质纤维素原料即可得到一批高戊糖浓度的水解液。

发明内容

本发明公开了一种以木质纤维素为原料制取高浓度戊糖溶液的方法。所述的高浓度戊糖溶液浓度为80-120 g/L。该方法具有制备过程简单、所得戊糖溶液浓度高和体系对设备腐蚀性小的特点。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种以木质纤维素为原料制备高浓度戊糖溶液的方法，其特征在于包括如下步骤：