[发明专利]一种预处理芦苇获得高纯度纤维素和改性木质素的方法

说明书

本发明公开了一种预处理芦苇获得高纯度纤维素和改性木质素的方法，涉及生物质预处理领域。本发明把绿色的水热预处理和氨水/过氧化氢预处理相结合，利用水热预处理绿色温和，可以溶出大部分半纤维素得到低聚木糖，用来制备木糖醇，或作为饲料添加剂等。而氨水/过氧化氢预处理则可以脱除木质素得到相比常规处理方法半纤维素含量更少、反应活性更高的氨化木质素，用来制备水凝胶、气凝胶、吸附剂和农田肥料等，彻底解决了传统制浆或预处理方法获得的木质素纯度低、反应活性低难以利用的难题。未溶解的部分则为高纯度纸浆作为溶解浆或酶水解糖化发酵制备燃料乙醇，实现芦苇原料的三大组分的高效分离和分别利用。

技术领域

本发明涉及生物质预处理领域，具体涉及一种预处理芦苇获得高纯度纤维素和改性木质素的方法。

背景技术

芦苇又名芦、苇、芦芛、蒹葭，是多年生的草本纤维类作物，属被子植物门，单子叶植物纲，禾本目，禾本科，芦苇属，是一种主要分布在湖泊、沟渠、河溪、沼泽地等草甸上的单一植被，在世界各地都有广泛分布。芦苇作为我们国家分布最为广泛和丰盛的非木材纤维资源，蕴藏量非常大，是一种比较重要的草类资源，广泛分布于我国的辽宁、吉林、黑龙江、河北、山东、内蒙古、新疆等地区。现今全国拥有14个芦苇大量生产区域，芦苇生产面积达到130万公顷以上的省份有山东、辽宁、湖南、湖北、新疆，这些地区种植面积都比较大。其中，辽宁省盘锦市拥有种植面积8万hm²，年产量近45万吨。新疆博斯腾湖具有1020km²的水面，沿湖生长着茂盛的芦苇，是我国四大苇区之一。

芦苇是一种适应性广、抗逆性很强、种质资源十分丰富的世界性植物。它有分布在土壤深层的庞大的根系和生根状茎，地面上植被一年一熟，并且能通过有性生殖繁殖后代。在漫长的自然选择和进化过程中，形成了适应各种复杂环境，形态功能、用途各异的各种类型。在中国，受气候环境影响，北方地区芦苇的生长期大约是在4-7月之间，从7月中旬到8月下旬是芦苇的开花结果期，10月停止生命周期开始变得枯黄。南方地区芦苇的生长期在3-11 月之间。由于各地区气候的差异以及水土不同导致芦苇在各地区生长时期各不相同，而且成熟的芦苇在形状及大小等各项特征上也有差异。比如，新疆地区降雨比较少，贮存的芦苇不会发生霉变，具有含硅量较低、韧性强等特性。芦苇宜在冬天收获，因为在冰面上收割，收割的芦苇没有根、无泥沙。

芦苇中纤维素含量占主体的40％-60％，仅次于棉麻，糖分和蛋白质含量较高的部分是幼茎和嫩叶，可以用来加工制作动物饲料或直接作为牲畜的食物；花、茎、叶、根都可作为药用；因其含有丰富的纤维素、半纤维素，制浆造纸原料也可以用芦苇来代替。芦苇湿地也是一种平衡生态系统的重要存在，芦苇还具有抗旱、不与粮食作物争地的特征，用途十分广泛，是一种非常优良的植物纤维原料。

芦苇利用必须对其进行预处理分离(或制浆)获得纤维素、半纤维素和木质素，再分别转化和利用。目前相关研究领域经常采用的预处理方法可以大致分为四种，分别为化学法预处理(氧脱木素法、碱处理、酸处理、湿氧化和臭氧法以及有机溶剂法等)、物理法预处理(微波照射、机械粉碎法、辐射处理和冷冻粉碎等)、物理化学结合法预处理(氨纤维爆破法、蒸汽爆破法、酸性亚硫酸盐预处理法、高温热水预处理以及CO₂爆破法等)以及生物预处理等。这些预处理方法结果都有所不同，各有优缺点。

酸法预处理是研究最广泛、最有效的木质纤维素预处理方法之一。酸处理可分为无机酸处理和有机酸处理。其原理都是通过溶解生物质半纤维素和少量木质素，增加纤维比表面积，进而增加酶对纤维素的可及性。酸处理因其易操作、纤维素水解糖得率较高等优点而利用率较高，但酸处理需要特殊的反应设备材料以及对后续酸的中和或回收上仍存在一定问题，在一定程度上阻碍了该法更为广泛地应用。