[发明专利]一种木质纤维原料水解液中有机酸和呋喃类化合物的分离与回收方法

说明书

本发明公开了一种木质纤维原料水解液中有机酸和呋喃类化合物的分离与回收方法，为基于β分离因子的分级减压蒸发分离回收方法，先分别对水解液中典型化合物在分级蒸发过程中的分离行为进行表征，计算出对应的分离因子β，并以该分离因子β为减压蒸发依据，实现有效分离和回收挥发性有机酸和呋喃类化合物。本发明采用基于β分离因子的分级减压蒸发技术，能够有效脱除并回收木质纤维水解液中100％糠醛、76％醋酸和93％甲酸。该方法具有生产设备通用、物质分离和回收得率高、水解液中半纤维素组分不损失、微生物发酵毒性成分脱除效果好以及废水易于生化处理等技术优势，经济和环境效益。

技术领域

本发明涉及生物质的高效转化与利用领域，特别涉及一种基于β分离因子的木质纤维原料炼制过程中挥发性有机酸和呋喃类化合物的分离与回收方法。

背景技术

目前，高温热水及酸法预处理木质纤维原料是生产富含木糖水解液、提高下游酶解效率的广泛方法之一。该预处理工艺的主要缺点是：释放抑制物，抑制后续微生物发酵和废液处理等。其中，抑制物主要包括：(1)有机酸，如乙酸、甲酸和乙酰丙酸；(2)呋喃类衍生物，如糠醛和5-羟甲基糠醛；(3)酚类化合物，如酚类聚合物木质素的衍生物。

在木质纤维原料的化学预处理过程中，有机酸或无机酸催化分布在半纤维素上的β-乙酰基，将其转化为酸性抑制物，而单糖在剧烈反应下分解成呋喃类化合物。在这三种主要的抑制物组分中，有机酸和呋喃类被认为是主要的影响因素且报道较多，因为它们含量较高，且对微生物细胞的抑制强度比酚类化合物更强。此外，当选择乙酸作为催化剂时，水解液对细胞的抑制作用和毒性显著增强，一方面来源于催化剂的添加，另一方面是木质纤维原料降解所产生的乙酸副产物和其它抑制物等。此外，回收和循环利用醋酸，可以降低催化剂的工艺成本。因此，尽管生物炼制成本相应增加，但回收催化剂和水解液脱毒技术是必不可少的。

发明内容

发明目的：针对当前高温热水及酸法(预)处理木质纤维原料过程中酸耗大、降解抑制物多、催化剂难回收和废液处理困难等问题，本发明的目的是提供一种木质纤维原料水解液中有机酸和呋喃类化合物的分离与回收方法，采用基于β分离因子的分级减压蒸发技术，分离与回收木质纤维原料炼制过程中挥发性有机酸和呋喃类化合物，操作安全，可实现水解液的脱毒和酸催化剂的循环利用。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种木质纤维原料水解液中有机酸和呋喃类化合物的分离与回收方法，为基于β分离因子的分级减压方式蒸发分离回收方法，先分别对水解液中典型化合物在分级蒸发过程中的分离行为进行表征，计算出对应的分离因子β，并以该分离因子β为减压蒸发依据，实现有效分离和回收挥发性有机酸和呋喃类化合物；其中，分离因子β的计算公式如下：

式中，n表示水解液中的化合物，RF表示蒸发过程中的浓缩液，M_n，RF是n化合物在浓缩液中的质量，M_n，Total是n化合物的总质量；

M_n，RF＝C_n，RF×V_n，RF (2)

M_n，Total＝C_n，0×V_n，0 (3)

其中，C_n，RF和C_n，0分别为n化合物在浓缩液中的浓度和每一次蒸发前的初始浓度，V_n，RF和V_n，0分别是n化合物在浓缩液中的体积和每一次蒸发前的初始体积。

所述的木质纤维原料水解液中有机酸和呋喃类化合物的分离与回收方法，木质纤维原料水解液的制备方法为：木质纤维原料经粉碎筛选后，利用pH 2.0～4.0的酸在140～200℃条件下预处理10～60min，，定向催化水解半纤维素，经固液分离得到预处理水解液。