[发明专利]从来自植物生物质的木质纤维素获得纤维素、半纤维素和木质素的方法

说明书

当用于从木质纤维素中获得纤维素、半纤维素和木质素的方法包括以下步骤时，其能够环境无害地进行：步骤a)，其中由植物生物质提供木质纤维素，步骤b)，其中使木质纤维素与含有水和碱性组分的第一混合物M1接触并且产生包含第一固体F1和第一液相P1的第一悬浮液S1，其中第一固体F1含有粗纤维素，和第一液相P1含有半纤维素和木质素，和步骤c)，其中使含有粗纤维素的固体F1与含有甲酸和水和任选的乙酸的第二混合物M2接触并且产生包含第二固体F2和第二液相P2的第二悬浮液S2，其中第二固体F2含有纯纤维素，和所述第二液相P2含有半纤维素和木质素。

背景技术

不断增加的世界人口和因此不可避免地相关的对食物的更高需求，以及发达国家中急剧增加的能源需求，迫使人类保护世界上现有的资源。因此，目标在于从可再生原料得到迄今为止通过石化工艺从原油，天然气或煤生产的产品。可再生原料的基础是光合作用。在太阳能的影响下，二氧化碳在此与水反应成葡萄糖和氧气。这是生产含有例如淀粉、蛋白质和脂肪的食物的前提，也是用于储存能量(例如以木材中的纤维素形式)的前提。

近几十年来，大力推进用于获得生物乙醇作为运输领域的燃料替代品的粮食种植。然而同时人们普遍认为，在可再生原料中，可以主要用作食物的那些，如粮食和植物油，不应在能源领域中用作燃料。因此，近年来已经努力将主要使用生物废料如秸秆和有机废物用于能源领域。最重要的废料包括是所谓的一年生植物的木质纤维素，其在种植谷物时以相当大的量作为秸秆产生。尽管在各种秸秆类型如小麦，大米和玉米中的量的比例略有波动，但秸秆通常具有主要成分纤维素、半纤维素和木质素，大多数为约35至45重量％的纤维素，30至35重量％的半纤维素和15至20重量％的木质素。此外，秸秆含有少量脂质和无机物质，尤其是硅酸盐。

迄今为止，使用来自秸秆的木质纤维素的利用的重点在于将纤维素并且尽可能地还有半纤维素转化为生物乙醇或将纤维素用作用于造纸的纸浆。

根据功能例如粮食中的茎或秆要满足例如强度、湿度调节和植物保护方面，则秸秆中的木质纤维素可以被理解为在没有特殊分解方法的情况下不能用于醇类发酵成生物乙醇或用于制备纸浆的复合材料。

为了从秸秆获得纸浆，如在从多年生植物如树的木质纤维素制备纸浆时使用相当的分解方法，其还包括碱分解(也称为碳酸钠分解或碳酸钠法)。然而在木材的情况下采用碳酸钠法仅达到不完全的分解。

为了获得生物乙醇，通常在苛刻条件下进行秸秆的分解(制浆，也称为“预处理”)。因此在升高的压力下在160℃至230℃进行所谓的“蒸汽爆炸分解”。在碱性分解的情况下使用85℃至180℃的温度。经常使用无机酸作为催化剂。经典的碳酸钠法分解在160℃至170℃的温度和基于所使用的生物原材料计12重量％至20重量％的碱浓度进行几个小时。

在R.Rinaldi(Aufschluss pflanzlicher Biomasse trifft auf Katalyse,Angewandte Chemie,2014,126,8699-8701)中给出了关于分解方法的概述。将木质纤维素认为是核-壳复合物，其中作为核的纤维素由木质素和半纤维素组成的更具反应性的壳保护。木质素和半纤维素的壳通过纤维素基质的酸催化的或碱催化的溶剂分解分离。纤维素和半纤维素作为聚合物或作为降解产物如单糖分离。木质素作为在崩解的基质中的降解的聚合物残余物留下。

也可以将木质素理解为填充材料，其仅间接地对植物的强度起决定作用并且至少部分地没有化学键合到纤维素上。

在N.Sarkar等人(Bioethanol production from agriculture wastes:anoverview,Renewable Energy,37,2012,19-27)中提出了在酶水解或发酵上游的用于生物质预处理的物理，物理化学、化学和生物方法。