[发明专利]催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法

说明书

本发明公开了一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法，属于清洁分离与转化技术领域。本发明首先在较为温和的水热条件下将半纤维素溶出，主要为低聚木糖；然后将残渣进行超短时球磨，再进行纤维素酶解糖化，固液分离获得高芳基醚键木质素和可发酵葡萄糖。该方法可以实现木质纤维生物质全组分(纤维素、半纤维素和木质素)的分离，制备高得率的低聚木糖，有效增强纤维素酶解转化效率，同时获得具有结构完整、高芳基醚键的木质素，其中β‑O‑4键的含量可以达到90％以上。该方法成本低廉，操作简单，环境友好，具有良好的推广潜力和工业化价值。

技术领域

本发明属于生物质清洁分离与转化技术领域，尤其涉及一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法。

背景技术

近年来，随着二氧化碳排放量的增加和化石燃料的消耗，源自木质纤维素生物质的可再生生物燃料和平台化学品已经占据了领先地位。木质纤维素生物质是地球上最丰富的可再生资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分组成。其中，将这三个主要组成部分转化为增值产品，以抵消生物炼制过程的成本是一个理想的策略。木质纤维素转化为燃料或者化学品通常需要经过预处理、糖化和发酵三个步骤，而预处理可以通过选择性分离生物质组分和破坏细胞结构来降低“生物质抗降解屏障”，进而提高纤维素的高效糖化。水热预处理具有成本低、催化剂的使用限制小以及可持续和环境友好等众多优势。此外，水热预处理能够将半纤维素直接溶解成其糖类(木糖)，从而合成具有工业价值的副产物，如低聚木糖、糠醛和5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、乙酸和甲酸。此外，可以使用酸性催化剂来促进半纤维素的溶解，从而显著提高纤维素的可及性和酶解率。其中，与有机酸相比，无机酸如硫酸，盐酸等酸性较强，会造成严重的设备腐蚀性，且成本高。使用有机酸如乙酸作为生物催化剂时，在后续发酵中可以用作基质增加丁酸的生产，而不是像其它常用的酸一样丢弃，避免废物产生。

然而仅采用一种预处理方法很难实现木质纤维生物质的高效转化。乙酸催化水热预处理木质纤维生物质可以获得较高的低聚木糖产量，但纤维素的酶解转化率仍然较低，并且木质素没有得到很好的利用。对于木质素的利用而言，预处理过程中分离的木质素的质量、品质和结构是木质素高值化利用的关键因素。现有的大规模生物质利用工业(制浆和溶解浆等产业)在生产目标产品(纸浆和溶解浆)的同时均不可避免地造成木质素组分原始结构发生显著的破坏、缩合或者降解，导致原本木质素结构中活性高、易断裂的β-O-4联接键发生了不可逆转的“断键-再缩合”反应，进而形成了化学性能稳定、难以后续高值化利用的工业木质素。

此外，现有的绝大部分基于燃料乙醇的预处理仅利用纤维素组分酶水解获得葡萄糖进而发酵获得乙醇，而半纤维素和木质素在预处理和发酵过程中存在结构破坏严重和分离提纯转化困难等问题，使得燃料乙醇的经济性一直是制约整个木质纤维生物炼制工业化的主要瓶颈。近期木质素催化降解研究广泛证明，木质素降解单体芳香族化合物的产率和原料木质素中的β-O-4键之间存在强相关性，因此在预处理过程中尽可能保留木质素的绝大部分β-O-4键对于木质素后续制备高产率芳基化合物具有重要的意义。

因此，开发一种预处理方法，以实现木质纤维素生物质全组分的高效转化就成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种催化水热耦合短时球磨联产低聚木糖、高芳基醚键木质素和葡萄糖的方法。

具体地，本发明针对当前大部分预处理方法均存在环境污染，成本高，对半纤维素和木质素结构造成不同程度破坏等问题，提出一种催化水热耦合短时球磨制备低聚木糖的方法；

针对当前单纯水热预处理后难以实现木质素和纤维素的同时分离，且结构保存完整问题，提出一种催化水热耦合短时球磨制备高得率低聚木糖，并分离高芳基醚键木质素的方法；

针对当前单纯水热预处理后纤维素酶解糖化效率低的问题，提出一种催化水热耦合短时球磨制备高得率葡萄糖的方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：