[发明专利]一种流体剪切驱动的尿素/碱体系中木质纤维素预处理方法及其应用

说明书

本发明属于生物质资源化利用和农业废弃物综合利用技术领域，尤其涉及一种流体剪切驱动的尿素/碱体系中木质纤维素预处理方法及其应用。本发明的目的在于提供一种木质纤维素预处理方法，将粉碎后的木粉与尿素/碱水溶液混合，进行流体剪切，混合液固液分离，固体残渣水洗至中性，得到预处理产品S1；上清用盐酸调节pH值至3.2以下，固液分离，固体残渣水洗至中性，得到预处理产品S2。该方法处理周期短、处理能力与效率高，且能最大程度脱除木质素，获得高纯度木质素且保持其本征结构，同时破坏纤维素的结晶区，增加孔隙度。该发明可在温和条件下明显提高木质纤维素转化为还原糖的转化率及糖类物质的酶解效率，同时降低化学试剂的用量。

技术领域

本发明属于生物质资源化利用和农业废弃物综合利用技术领域，尤其涉及一种流体剪切驱动的尿素/碱体系中木质纤维素预处理方法及其应用。

背景技术

当今社会，煤炭、石油、天然气等石化能源逐渐枯竭，温室气体造成的环境问题日益严重，可再生能源的开发利用已成为必然趋势和研究热点。因此，作为一种可再生能源，生物质能的开发利用具有十分重要的现实意义。木质纤维素生物质是地球上最丰富的有机可再生资源，主要来自于农业和林业废弃物，富含纤维素、半纤维素和木质素。利用木质纤维素生物质资源生产清洁能源和高附加值产品是当前研究热点，经济可持续的解聚或分级木质纤维素已受到了各国科研工作者的重视。木质纤维素生物质组成复杂，木质素通过共价键、氢键和半纤维素相互作用包裹纤维素，纤维素结晶区整齐排列形成复杂的分子内与分子间氢键网络，木质素及其他小分子物质引起纤维素酶的无效吸附或增加其化学转化难度，上述因素构成了木质纤维素生物质的天然抗降解屏障，成为其资源化利用的主要瓶颈。通过预处理破坏木质素和半纤维素结构屏障，降低原料尺寸改变纤维素聚合度和结晶度，增加生物质多孔性和比表面积，从而提高酶或化学催化剂的可及性，有利于纤维素的转化，是实现生物质高效利用的关键。

目前已有多种分离技术，包括物理方法(例如球磨、盘磨)、化学方法(例如酸或碱水解、还原法或氧化法)、生物法(例如酶水解、微生物分解)及其联合方法。尽管近年来在这一领域取得了巨大的进展，但仍有许多问题需要解决，如低效率、高成本、严重污染或破坏生物质成分。例如，球磨可以有效降低木质纤维素材料的粒径，进一步降低纤维素的结晶度和聚合度，从而增加纤维素的接触表面积，促进纤维素的酶解和糖化过程。但该方法预处理效率低，能耗高。酸水解预处理能有效地将木质纤维素分解为三种组分。在酸性条件下，可将纤维素和半纤维素降解为木糖和葡萄糖，甚至糠醛和5-羟甲基糠醛。它还会产生大量含有酸性催化剂等杂质的废水，对反应器造成严重的腐蚀。稀碱预处理反应条件温和，产生的抑制剂较少，但对木质纤维素材料的晶体结构损伤小，酶解效率低。其他生物质预处理工艺也有明显的缺点，如有机溶剂和离子液体预处理工艺成本高；还原或氧化生物质的预处理过程很难控制。此外，大多数生物质预处理策略都将碳水化合物放在首位，在较高的温度(100℃)下进行，导致木质素发生不可逆的破坏。因此，迫切需要开发一种绿色环保的预处理方法，能够在温和的条件下快速、高效地分离出所有木质纤维素组分。

纤维素作为一种天然高分子，由于其具有环保可再生、成本低、生物相容和生物降解等优良特性，近年来被广泛应用于功能性材料的构建，解决了资源枯竭和环境污染的危机。在接近冰点的冷却温度下，纤维素可溶于中等浓度(8-10％wt％)的NaOH溶液中，但只有聚合度较小的纤维素才能溶解，且室温下溶液不稳定，溶解能力不足，使NaOH作为溶剂的工业意义不大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种流体剪切驱动的尿素/碱体系中木质纤维素预处理方法及其应用，该方法具有处理周期短、处理能力与效率高的特点，且从木质纤维素中能最大程度脱除木质素，获得高纯度木质素且保持其本征结构，同时破坏纤维素的结晶区，增加孔隙度。该发明可在温和条件下明显提高木质纤维素转化为还原糖的转化率及糖类物质的酶解效率，并同时降低化学试剂的用量。

本发明是这样实现的，一种流体剪切驱动的尿素/碱体系中木质纤维素预处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将原料木粉与尿素/碱水溶液配制成混合液；