[发明专利]一种有机酸催化双相体系分离木质纤维的综合利用方法

说明书

本发明提出了一种有机酸催化双相体系分离木质纤维的综合利用方法，首先将速生材剩余物与极性非质子溶剂、NaCl盐溶液和有机酸加入加压反应釜中，升温预处理，预处理结束后冷却，过滤，得固体残渣和滤液，固体残渣洗涤后烘干，得到高纯纤维素。滤液超声静置分层，糖类溶解在下层的NaCl盐溶液中，酚类分散在上层的极性非质子溶剂中。上层有机相中加入水，搅拌、静置和离心后得到棕色粉末，清洗冷冻干燥，得到解离木质素。离心液经减压分级蒸馏回收水和极性非质子溶剂。下层中的糖类直接加热转化为糠醛，经减压蒸馏后得到糠醛产物，并回收有机酸和水。回收的水、有机酸、极性非质子溶剂均可循环使用。

技术领域

本发明属于木质纤维类生物质原料的预处理技术，主要涉及木质纤维生物质中纤维素、半纤维素和木质素三大组分的定向解聚以及解聚组分的全质高效分离方法。

背景技术

由于全球化石能源资源的紧张及过度开发所带来的环境问题，越来越的人们开始关注可替代化石能源的绿色可再生的能源资源。木质纤维类生物质被认为是最有前途的可再生碳资源之一，可以转化为液体燃料和化学品。其中速生材剩余物如为构树粉、桉树粉、杉木粉、杨树粉、榆树粉、速生白蜡树粉、桦树粉等生物质资源丰富、成本低、易获取。通过生物精制过程，它们可以大规模生产成生物乙醇、丁醇等液体燃料，或用于制备高附加值的化学品和可降解材料等。开展速生材剩余物木质纤维资源生物炼制研究，可有效促进能源安全、节能减排和环境保护的进程，具有重要的经济和社会效益。

木质纤维素生物质主要由三种主要成分组成，即35-53％纤维素、20-37％半纤维素和15-30％木质素。纤维素是生物质结构的骨架部分，被木质素和半纤维素包裹，换句话说，木质素是半纤维素和纤维素的保护层。它们通过氢键和苯甲醚键相互连接，通过范德华力等分子间作用力，阻止酶和化学剂直接接触纤维素，形成木质素-碳水化合物复合结构。此外，由于木质纤维素生物质结构复杂，半纤维素和木质素解聚产物对木质纤维素水解的抑制作用降低了生物炼制效率。此外，研究表明木质素的存在对木质纤维素细胞壁的抗生物降解特性有更大的影响。据报道，木质素会与纤维素酶产生非生产力的结合，导致酶通过疏水相互作用、静电相互作用和氢键相互作用无效地吸附纤维素，抑制木质纤维素生物质的生物转化。因此，有效的预处理工艺可以选择性、高效地去除半纤维素和木质素，破坏木质纤维素的结构，降低纤维素的聚合度，增加纤维素和化学试剂对纤维素的有效接触，这使得生物炼油过程更加高效和环境友好。

目前常用的木质纤维类生物质溶剂预处理方法有醇、酮、酚等有机溶剂预处理方法，离子液体(ILs)预处理方法和低共熔溶剂(DESs)预处理方法，常用极性非质子溶剂1,4-二氧六环、甲基异丁基甲酮(MIBK)、二甲基亚砜(DMSO)等预处理方法。

预处理方法

由于其对氢键、醚键和糖苷的断裂作用突出，有机溶剂预处理可以去除大量的木质素和几乎所有的半纤维素，从而提高酶解效率。此外，添加催化剂可以进一步提高预处理效果。预处理过程中通常采用的有机溶剂有乙醇、丙酮、苯酚等。近年来，乙醇因其成本低、毒性低、易回收和生物产量高而受到广泛研究人员的青睐。据报道，在乙醇/稀硫酸溶剂体系中，北美鹅掌楸在最佳预处理条件下，能去除80％左右的木质素。尽管有机溶剂预处理效率高，但仍存在有机溶剂挥发性、易燃性、环境污染和能耗等问题。

作为一种新型溶剂的离子液体，通常由有机阳离子(咪唑、哌啶、铵等)和有机或无机阴离子组成，并在室温下以液相存在。由于其能选择性溶解木质素和纤维素的特性、可再生性和生物降解性，ILs被广泛应用于分离木质纤维素生物质的主要成分。与普通溶剂相比，离子液体具有挥发性小、蒸汽压低、电化学稳定性和热稳定性高的特点。尽管有上述突出的优点，ILs仍然存在成本高、回收工艺困难、与酶和微生物不兼容等缺点，显著影响了其在木质纤维素生物质预处理上的大规模工业化应用。