CN103045684B - 一种木质纤维素生物质的综合利用方法 - Google Patents

Abstract

一种木质纤维素生物质的综合利用方法，包括以下步骤：(a)对木质纤维素生物质进行N级酸水解，其中，第一级水解反应的时间为1-4小时，以后水解反应的时间逐级减少0.25小时-1.5小时，N为大于等于2的整数；(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(d)步骤(c)完成后，将得到的所述酶解残渣返回步骤(b)进行碱溶液处理或将所述酶解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤(b)的碱溶液处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，从而进一步提取木质素和进行纤维素酶解。上述方法实现了对木质纤维素生物质资源利用的最大化。

Description

一种木质纤维素生物质的综合利用方法

技术领域

本发明涉及一种综合利用木质纤维素生物质的方法，具体地说是一种综合利用木质纤维素生物质中纤维素、半纤维素和木质素的方法。

背景技术

随着化石燃料资源的日趋枯竭和环境污染的日益严重，利用再生能源为石化产品的替代品变得愈加重要。而燃料乙醇是生物质液体能源的物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(玉米、木薯等)和糖类(甘蔗、甜菜等)作为发酵的原料。采用微生物法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行。现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素生物质。

木质纤维素生物质以植物体的形式存在，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素占40％左右，半纤维素占25％左右，木质素占20％左右，地球上每年由光合作用生成的木质纤维素生物质总量超过2000亿吨，因此木质生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。

如果能以木质纤维素生物质为原料生产乙醇，将极大地解决人类的能源问题，但是在这方面仍存在很多技术难题尚未解决。目前，在以木质纤维素生物质为原料生产乙醇过程中，遇到的第一个问题是对半纤维素、纤维素和木质素未能很好地综合利用，现有处理生物质的工艺技术，大多以降解糖类得到乙醇为目的，不能同时提取得到高纯度、高活性的木质素，往往把木质素作为一个去除对象，同时在对半纤维素的利用中，也存在生成很多纤维素酶抑制剂的缺点，最终也会影响乙醇的产率。

如在CN100564667C中公开了一种木质纤维素生物质的联合预处理方法及其系统，将木质纤维素生物质粉碎后装入循环反应釜中，并注入稀酸，打开循环泵在温度为50℃-200℃下进行循环反应，反应结束后将得到的水解液；循环反应釜内剩余的木质纤维素冲洗后，放入球磨机中加碱液进行球磨，进一步除去木质素，球磨完毕除碱后用于后继酶解，得到乙醇。该专利采用一次酸解去除半纤维素会造成两个不利影响，一方面，若要想尽可能多地去除半纤维素需采用较高的温度和/或长的反应时间，这样导致前期水解的戊糖在较高温度和/或长的反应时间下易产生糠醛和乙酸等纤维素酶抑制剂，从而降低酶解转化率；另一方面，如果不采用较高的温度和/或长的反应时间，则酸解后残渣中含有较多的半纤维素，不利于碱溶液提取碱木质素，若要想尽可能多的溶解木质素就需要提高碱浓度、碱处理的温度和延长碱处理的时间，造成木质素的活性部分受到破坏，从而不能再利用木质素去生产高附加值的产品，因此，上述技术方案不能同时兼顾纤维素、半纤维素和木质素的综合利用。

在以木质纤维素生物质为原料生产乙醇的过程中遇到另一个问题是纤维素酶解的转化率低，造成酶解的成本过高(占总生产成本的40-50％)，生产成本过高，无法真正实现工业化。纤维素酶解的转化率低的原因是：一方面半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而木质素具有的网状结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素，木质素和半纤维素在空间上可阻碍纤维素分子与酶的接触，酶可及度差，增加了酶解的难度。因此有必要对木质纤维素生物质进行有效的预处理，破坏木质素和半纤维素的空间障碍，同时还要避免预处理产生不利于酶解的酶抑制物(如糠醛，乙酸等)，从而有利于纤维素的酶解；另一方面，纤维素分子内和分子间存在氢键，聚集态结构复杂且结晶度高，纤维素酶对结晶纤维素酶促反应活力比较低，因此，为了提高纤维素酶解的转化率，需要提高酶的活力。

在CN101130530B中公开了利用农林废弃物生产糠醛的系统及方法，通过两步法生产糠醛，包括水解系统和脱水蒸馏系统，其中水解系统包括相互首尾连接的N级酸水解反应釜，将农林废弃物连续水解生成戊糖溶液。上述N级酸水解系统存在的缺点是，由于各级水解反应釜中水解时间相同，因此对木质素和纤维素的破坏率大，且生成的糠醛、乙酸等酶抑制剂较多，不利于木质纤维素生物质的综合利用。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的综合利用纤维素、半纤维素和木质素时，不能同时得到高活性的木质素、较高的半纤维素和纤维素提取率的问题，从而提出了一种木质纤维素生物质综合利用的方法。

为达到上述目的，本发明提供一种木质纤维素生物质综合利用的方法，包括以下步骤：

(a)对木质纤维素生物质进行N级酸水解，N级酸水解的反应釜首尾相接，将其中一个反应釜设为第一级，最后一个设为第N级，新配制的酸溶液加入第一级酸水解反应釜，第一级酸水解反应釜排出的酸溶液加入第二级酸水解反应釜内，第二级酸水解反应釜内排出的酸溶液加入第三级酸水解反应釜内，依次顺序，直到第N-1级酸水解反应釜排出的酸溶液加入第N级酸水解反应釜，第N级酸水解反应釜排出的酸溶液为最终的戊糖溶液，然后取出第一级酸水解反应釜内的酸水解残渣，然后装入新的木质纤维素生物质原料，再将第一级酸水解反应釜作为第N级酸水解反应釜，将第二级酸水解反应釜作为第一级酸水解反应釜，第三级酸水解反应釜作为第二级酸水解反应釜，直到第N级酸水解反应釜作为第N-1级酸水解反应釜，再进行水解反应，如此水解循环往复可以实现木质纤维素生物质的连续水解；

其中，第一级水解反应的时间为1-4小时，随后各级水解反应的时间逐级减少0.25-1.5小时，N为大于等于2的整数；

(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；

(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣。

(d)步骤(c)完成后，将得到的所述酶解残渣返回步骤(b)进行碱溶液处理或将所述酶解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤(b)的碱溶液处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，从而进一步提取木质素和进行纤维素酶解。

所述第一级水解反应的时间为1.5-3小时，随后各级水解反应的时间逐级减少0.5-1小时。本发明中水解反应时间即酸溶液在反应釜中的停留时间。

所述酸溶液的种类没有特别的限定，可以是木质纤维素生物质进行酸水解的常规使用的酸，例如酸可以为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或几种。

所述N级酸水解的温度、压强和酸溶液的浓度没有特别限定，可以是木质纤维素生物质进行酸水解的常规温度、压强和酸溶液的浓度，例如所述N级酸水解中每级水解反应的温度为100-150℃，压强为0.1-0.47MPa。例如所述N级酸水解中每级水解反应的酸溶液的浓度为0.5-30重量％(如选用的酸为强酸，则酸溶液的浓度较低，约为0.5-5重量％，如选用的酸为弱酸，则酸溶液的浓度较高，约为5-30％)，优选磷酸的浓度为1-20重量％。

所述N为3-5的整数。

所述木质纤维素生物质可以为玉米秸秆、麦秸、稻秸、甘蔗渣、棉柴、棉子壳、玉米芯、稻草、高粱杆、阔叶木材和木片的一种或几种。

根据原料情况进行预处理，对木质纤维素生物质原料进行切割或粉碎，接着对该秸秆段进行洗涤除尘。

所述步骤(b)的具体步骤为：

(i)经碱溶液处理所述酸水解残渣使其中的木质素溶解于碱溶液；

(ii)然后进行过滤、洗涤得到固体和液体；

(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液。

所述步骤(iii)中还包括所述浓缩得到的碱木质素溶液再用水稀释，然后再次浓缩的步骤。

所述步骤(iii)中还包括将得到的碱木质素溶液经过中和、过滤和干燥，得到碱木质素固体的步骤。

所述步骤(iii)中还包括在浓缩得到所述碱木质素溶液之后或同时回收利用其中的碱溶液的步骤。

所述碱溶液处理在40-100℃下进行。

所述碱溶液处理中液固体积比为5∶1-20∶1。

所述碱溶液处理中碱溶液的浓度为0.8-5重量％。

所述碱溶液处理的时间为1-6小时。

各种碱都可以用于本发明，包括但不限于氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水等。但是，根据某些优选实施方案，碱溶液为氢氧化钠的水溶液。

所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为分类命名为Penicillium decumbens PD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC)，保藏单位地址：武汉大学保藏中心。登记入册的编号是CCTCC M 2011195，保藏日期是2011年6月13号。以此菌株为酶解纤维素的菌株。

所述纤维素酶解的条件为：底物用量为80-150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为45-55℃、pH为4-6、搅拌转速为50-200rpm，酶解转化时间为2-7天。

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用了先N级酸水解，再碱解，最后酶解的工艺路线，且在酸水解过程中采用了从第一级反应釜到第N级反应釜酸水解反应时间逐级减少的方法(第一级水解反应的间为1-4小时，随后各级水解反应的时间逐级减少0.25-1.5小时)，该方法可以根据半纤维素酸解的难易程度和戊糖损失情况采用不同的酸水解时间，由于第N级反应釜中的物料为新物料，半纤维素较易去除，因此水解反应的时间较短即可，另外，第N级反应釜中戊糖的浓度最高，水解反应的时间较短可以防止生成糠醛和乙酸，从而降低糠醛和乙酸对纤维素酶的抑制作用；而对于第一级反应釜中的物料，去除剩下的半纤维素比较困难，水解反应的时间长有利于最大程度地提取半纤维素；采用上述技术方案可以最大程度地提取半纤维素，同时尽量少地破坏木质素和纤维素，保持木质素的活性，另外还缩短了整个工艺的运行时间，提高了生产效率；

采用上述方法使得酸解后半纤维素的提取率可以达到72重量％以上，纤维素的损失率小于8重量％，木质素的损失率小于9重量％；另外，由于木质素的结构未被破坏，所以经过碱溶液提取的木质素的活性较高，可直接用作生产其它高附加值产品(如酚醛树脂)的原料；同时由于绝大部分的半纤维素被提取，经过碱解后绝大部分木质素被碱溶液提取，从而消除了纤维素的空间障碍，使纤维素酶更容易接触纤维素，提高了纤维素的提取率，降低了纤维素酶的使用量，缩短了酶解时间，降低了生产成本，另一方面，由于酸解过程中生成的酶抑制物较少，也提高了纤维素的提取率；

本发明同时采用循环工艺分别对纤维素、木质素进行交替提取处理，一方面提高了纤维素和木质素的提取率(大于80重量％)，另一方面通过这种方法可以减弱酸解、碱解的处理条件，从而进一步保护木质素和纤维素不被破坏，可以使木质素和纤维素的利用最大化；

由此可见，本发明的上述方法解决了现有技术的木质纤维素生物质的综合利用问题，使资源利用达到了最大化。

2、所述N级优选3-5级，在该范围内既经济(设备投入少，操作简便)又能得到高的半纤维素提取率，且对木质素和纤维素的破坏率最低(级数越多对木质素和纤维素的破坏率越大)。

3、本发明中所述第一级水解反应的时间为1.5-3小时，随后各级水解反应的时间逐级减少0.5-1小时，上述范围可以保证在半纤维素提取率较高的前提下，对木质素和纤维素的破坏率更低，且生成的糠醛和乙酸等酶抑制剂更少。

4、本发明在碱解过程中采用了膜设备分离和浓缩的步骤，提高了碱木质素的纯度，有利于生产高附加值的产品。

5、本发明将碱木质溶液用水稀释，再次浓缩，进一步降低了碱木质素溶液中的灰分含量，残碱含量，提高了固含量，更利于使用木质素生产高附加值的产品。

6、本发明采用在浓缩得到所述碱木质素溶液之后或同时回收利用其中的碱溶液，废碱溶液得到了回收利用，不会污染环境。

7、由于在水解残渣中大部分为木质素，所以可以在较低的碱溶液处理温度(40-100℃)下实现对木质素提取，进一步保护木质素的活性。

8、本发明采用碱溶液中液固体积比比较适合提取木质素，避免了液固比太小不利于液固混合也不利于木质素的碱解，液固比太大后续的碱回收负荷大，产生的废水量也大，不经济的问题。

9、本发明碱溶液处理的条件采用的液固比、碱用量、温度和时间，最终得到的碱木质素的活性非常高。

10、本发明所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为Penicillium decumbens PD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M 2011195，采用该青霉菌生产的纤维素酶具有较高的活力，进一步提高了纤维素酶解的提取率。

11、本发明所用的由青霉菌培养得到的纤维素酶，在底物用量为80-150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为45-55℃、pH为4-6、搅拌转速为50-200rpm，酶解转化2-7天的条件下，酶解转化率最高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明工艺流程的示意图；

图2是本发明碱溶液提取碱木质素的流程示意图；

图3是N级水解所用的设备示意图。

具体实施方式

下面将通过具体实施例对本发明作进一步的描述。

(一)以下实施例所使用的自制纤维酶均由青霉菌培养得到，具体的培养方法为：

(A)菌种增殖培养

将命名编号为Penicillium decumbens PD-G3-08青霉菌种子液以5％(v/v)的接种量接入到经过121℃灭菌30min的含有种子培养基的发酵罐中进行活化，保持罐压0.02-0.05MPa、通气量0.5vvm、搅拌转速100-150rpm、30℃培养30-60小时，得到活化后的种子液。

所述种子培养基中的组分及用量为：取实施例1的酸水解残渣10-30g/L、麸皮20-50g/L、蛋白胨1-4g/L、硫酸铵2-4g/L、其余为水。

所述种子培养基中的组分及用量优选为：酸水解残渣20g/L、麸皮40g/L、蛋白胨3g/L、硫酸铵3g/L、其余为水。

(B)制备纤维素酶

将步骤(A)获得种子液以10％(v/v)的接种量接入已经灭菌的装有3L发酵培养基的5L发酵罐中，发酵过程中添加消泡剂控制发泡，保持罐压0.02-0.05MPa、通气量0.5-0.6vvm、搅拌转速100-150rpm、30℃培养80-136小时，得到发酵液。

所述发酵培养基中各组分用量分别为：酸水解残渣30-50g/L、麸皮20-50g/L、微晶纤维素或羧甲基纤维素4-8g/L、硫酸铵2-5g/L、磷酸二氢钾2-4g/L、硫酸镁0.4-0.6g/L、其余为水，培养基初始pH为5.0-6.0。

所述发酵培养基中各组分用量优选为：酸水解残渣45g/L、麸皮35g/L、微晶纤维素5g/L、硫酸铵4g/L、磷酸二氢钾3g/L、硫酸镁0.6g/L、其余为水，培养基初始pH为5.0-6.0。

得到的发酵液8000rpm离心取得上清液，即得含有纤维素酶的粗酶液，该粗酶液可直接用于纤维素的酶解。

(二)按下述方法测试以下实施例得到的木质素的各种性能

木质素含量的测定：包括酸不溶木质素及酸可溶木质素。其中酸不溶木质素的测定采用Klason法，根据国标GB/T2677.8-94进行；酸可溶木质素根据国标GB 10337-89进行。

灰分含量的测定：根据GB/T 2667.2-93进行。

水分的测定：根据GB/T 2667.3-93进行。

碱木质素溶液中固含量的测定：取100g待测溶液，在105℃下，烘24小时，冷却至室温，称量剩余固体的质量，该质量数即为溶液的固含量的百分数。

碱木质素溶液及回收碱液中碱含量的测定：取0.5-1g待测液体，以酚酞作指示剂，0.2M/L的盐酸溶液作滴定试剂，滴定至终点，根据所消耗的盐酸体积计算出溶液中残余碱的含量。

以下实施例参见图1、图2和图3。

以下实施例中酸水解温度对应的压力均为饱和水蒸汽的压力，因此不再为每个实施例都给出数据。

以下实施例中，除有特殊说明外，所用百分含量均表示为重量百分含量，即“％”表示“重量％”。

实施例1

(1)N级酸水解

在本实施例中：采用的是三级酸水解，首先将玉米芯(质量成分组成：水分6.12％、纤维素35.19％、半纤维素32.01％、木质素23.7％、其它2.95％，下同)打碎，然后将新配制的酸溶液加入第一级水解反应釜内，将第一级酸水解反应釜排出的酸溶液加入第二级水解反应釜内，第二级解反应釜排出的酸溶液加入第三级水解反应釜内，第三级反应釜排出的酸溶液为最终的戊糖溶液，然后取出第一级水解反应釜内的酸水解的残渣，然后装入新的玉米芯原料，再将原第一级水解反应釜作为第三级反应釜，将原第二级反应釜作为第一级反应釜，原第三级反应釜作为第二级反应釜，再进行水解反应，如此水解循环往复可以实现玉米芯的连续酸水解。

其中，第一级水解反应的时间为1.5小时，第二级水解反应的时间为1.0小时，第三级水解反应的时间为0.5小时，每级酸水解的温度为130℃，酸溶液为磷酸水溶液，磷酸溶液的质量浓度为5％；液固比为8∶1(新配制酸溶液与绝干玉米芯原料的质量比，下同)，通过上述方法对1.06×10³kg新的玉米芯原料进行连续酸水解处理后，使用1.0×10³kg的水对所述酸水解残渣进行水洗，水洗液和酸解液合并，最终得到戊糖溶液7.98×10³kg，戊糖浓度为3.08％，得到酸水解残渣的重量为2.02×10³kg(含水率为65％左右，半纤维素的绝干含量为13.51％，纤维素的绝干含量为49％，木质素的绝干含量为33.04％)；半纤维素的提取率为72％。

半纤维素提取率的计算公式如下：

半纤维素的提取率％＝(戊糖溶液质量×戊糖溶液浓度)/(玉米芯质量×玉米芯中半纤维素的含量)×100％

(2)碱溶液提取碱木质素

将本实施例步骤(1)中得到的全部酸水解残渣与氢氧化钠溶液混合，其中液固体积比为5∶1，氢氧化钠的浓度为3％，然后升温至70℃，经过1小时的蒸煮碱溶，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用1×10³kg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到1.7×10³kg碱解残渣(含水率为65％左右)和3.54×10³kg碱木质素溶液，碱木质素溶液中碱木质素的含量为2.86％；则碱木质素的提取率为40％；

碱木质素提取率的计算公式如下：

碱木质素提取率％＝(碱木质素溶液的质量×碱木质素溶液中的碱木质素含量)/(玉米芯质量×玉米芯中木质素的含量)×100％

(3)纤维素酶解

所述酶解的条件为：纤维素酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，取步骤(2)所述碱溶液处理得到的全部碱解残渣作为纤维素底物，按照15FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为125g/L，在温度为48℃、pH为5.0、搅拌转速50rpm的条件下，酶解转化2天，整个酶解过程无需保压，得到1.16×10³kg酶解残渣(含水率为65％左右)，还得到葡萄糖溶液，质量为4.75×10³kg，浓度为3.94％，则纤维素的提取率为50％。

纤维素提取率的公式如下：

纤维素的提取率％＝(葡萄糖溶液的质量×葡萄糖溶液的浓度)/(玉米芯质量×玉米芯中纤维素的含量)×100％

葡萄糖溶液生产乙醇的工艺为现有工艺，在此不再赘述，其它实施例相同。

(4)循环处理

将步骤(3)得到的全部酶解残渣返回步骤(2)进行第二次碱溶液处理，第二次碱溶液处理与本实施例中步骤(2)所述的碱溶液处理的条件相同；得到0.81×10³kg第二次碱解残渣(含水率为65％左右)和2.11×10³kg碱木质素溶液，碱木质素溶液中碱木质素的含量为5.23％；则第二次碱木质素的提取率为44％；

对所述第二次碱解残渣进行第二次酶解，第二次酶解的条件与本实施例中步骤(3)中所述酶解的条件相同；得到质量为2.28×10³kg、浓度为5.92％的葡萄糖溶液，则第二次纤维素的提取率为36％。

综上所述，玉米芯的半纤维素的提取率为72％，纤维素总的提取率为86％，木质素的总提取率为84％。

实施例2

(1)N级酸水解

原料和方法同实施例1步骤(1)，不同点在于：第一级水解反应的时间为3小时，第二级水解反应的时间为2小时，第三级水解反应的时间为1小时，每级酸水解的温度为110℃；得到酸水解残渣的重量为1.95×10³kg(水含量65％左右，半纤维素的绝干含量为11.48％，纤维素的绝干含量为50.57％，木质素的绝干含量为33.36％)，戊糖溶液为8.05×10³kg，戊糖浓度为3.26％，则半纤维素的提取率为77％。

(2)碱溶液提取碱木质素

将本实施例步骤(1)中得到的酸水解残渣与氢氧化钠溶液混合，其中液固体积比为10∶1，氢氧化钠的浓度为3％，然后升温至70℃，经过1小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用1×10³kg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到1.65×10³kg碱解残渣(含水率约为65％)和6.87×10³kg碱木质素溶液；碱木质素溶液用膜设备进行分离浓缩后，加1.0×10³kg水稀释，再浓缩，最后得到0.4×10³kg的碱木质素浓缩液，并回收7.45×10³kg碱液。经测定该浓缩液的固含量为25.1％，碱木质素含量为23.8％，残余碱的含量为0.7％，灰分含量为1.3％，而所得到的碱液中，碱的含量为2.2％，碱的回收率为80％；则碱木质素的提取率为38％。

(3)纤维素酶解

所述酶解的条件为：纤维素酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，取步骤(2)所述碱溶液处理得到的全部残渣作为纤维素底物，按照10FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为150g/L，在温度为55℃、pH为4、搅拌转速200rpm的条件下，酶解转化7天，整个酶解过程无需保压。得到1.1×10³kg酶解残渣(含水率为65％左右)，还得到葡萄糖溶液，质量为4.42×10³kg，浓度为4.33％，则纤维素的提取率达51％。

(4)循环处理

将步骤(3)中的全部酶解残渣返回步骤(2)中，与新的酸水解残渣(另一批玉芯经过酸水解后得到的酸水解残渣)合并后再进行碱溶液处理，碱溶液处理完成，再进行步骤(3)纤维素酶解，然后再将酶解残渣返回步骤(2)中，再次与新的酸水解残渣合并，如此可以形成循环处理。

采用上述方法对10.6×10³kg的玉米芯进行处理，最终半纤维素的提取率为77％，纤维素的总提取率为85％，木质素的总提取率为85％。

实施例3

(1)N级酸水解

原料和方法同实施例1步骤(1)，不同点在于，第一级水解反应的时间为1小时，第二级水解反应的时间为0.75小时，第三级水解反应的时间为0.5小时，每级酸水解的磷酸的浓度为10％；最终得到酸水解残渣的重量为2.02×10³kg(水含量65％左右，半纤维素的绝干含量为13.51％，纤维素的绝干含量为49.08％，木质素的绝干含量为32.9％)，戊糖溶液为7.98×10³kg，戊糖浓度为3.08％，则半纤维素的提取率为72％。

(2)碱溶液提取碱木质素

取本实施例步骤(1)中得到的全部酸水解残渣，按照实施例2步骤(2)工艺方法进行碱溶液处理，不同点在于，液固体积比为10∶1，氢氧化钠的浓度为5％，碱溶液处理的温度为40℃，时间为6小时。最后得到1.7×10³kg碱解残渣(含水率为65％左右)和0.41×10³kg碱木质素浓缩液，并回收7.65×10³kg碱液。经测定该浓缩液的固含量为25.4％，浓缩液的碱木质素含量为23.8％，浓缩液的残余碱的含量为0.8％，浓缩液的灰分含量为1.6％；而回收的碱液中碱的含量为3.83％，碱的回收率为83％；则碱木质素的提取率为39％。

(3)纤维素酶解

取本实施例步骤(2)碱溶液处理得到的全部碱解残渣，按照实施例1步骤(3)的方法进行纤维素酶解，不同点在于：纤维素酶为纤维素酶为上述青霉菌(Penicillium decumbens PD-G3-08，其保藏编号是CCTCC M 2011195)培养得到的纤维素酶，得到1.0×10³kg酶解残渣(含水率约为65％)，还得到葡萄糖溶液，质量为4.78×10³kgkg，浓度为5.18％，纤维素的提取率为66％。

(4)循环处理

将步骤(3)得到的全部酶解残渣返回步骤(2)进行第二次碱溶液处理，第二次碱溶液处理与本实施例中步骤(2)所述的碱溶液处理的条件相同；得到0.62×10³kg第二次碱解残渣(含水率为65％左右)和0.52×10³kg碱木质素浓缩液，碱木质素浓缩液中碱木质素的含量为23.5％；则第二次碱木质素的提取率为48％；

对所述第二次碱解残渣进行第二次酶解，第二次酶解的条件与本实施例中步骤(3)中所述酶解的条件相同；得到质量为1.74×10³kg、浓度为4.74％的葡萄糖溶液，则第二次纤维素的提取率为22％。

综上所述，半纤维素的提取率为72％，纤维素总的提取率为88％，木质素的总提取率为87％。

实施例4

(1)N级酸水解

工艺和方法同实施例2步骤(1)，不同点在于，原料为1.11×10³kg麦秸秆(质量成分组成：水分10.1％、纤维素44％、半纤维素22.2％、木质素17％、其它6.7％)，每级酸水解的温度为100℃，酸溶液为0.6％的硫酸溶液，第一级水解反应的时间为4小时，第二级水解反应的时间为2.5小时，第三级水解反应的时间为1小时；最终得到酸水解残渣的重量为2.17×10³kg(水含量65％左右，半纤维素的绝干含量为7.47％，纤维素的绝干含量为59.51％，木质素的绝干含量为23.22％)，戊糖溶液为7.83×10³kg，戊糖浓度为2.43％，则半纤维素提取率为77％。

(2)碱溶液提取碱木质素

将本实施例步骤(1)中得到的酸水解残渣，按照实施例2步骤(2)的方法进行碱溶液处理，不同之处在于：碱溶液处理的温度为100℃，时间为2小时，氢氧化钾的浓度为0.8％，液固体积比为20∶1。最后得到1.94×10³kg碱解残渣(含水率为65％左右)和0.28×10³kg碱木质素浓缩液，并回收4.3×10³kg碱液。经测定该浓缩液的固含量为26.2％，浓缩液的碱木质素含量为24.8％，浓缩液的残余碱的含量为0.55％，浓缩液的灰分含量为1.4％；而回收的碱液中碱的含量为0.69％，碱的回收率为70％；碱木质素的提取率为37％。

可选地，可将得到的碱木质素浓缩液，用10％的硫酸调节pH值到3，过滤，洗涤和干燥得到碱木质素固体，

(3)纤维素酶解

所述酶解的条件为：纤维素酶为上述青霉菌(Penicillium decumbensPD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号为CCTCC M 2011195)培养得到的的纤维素酶，取本实施例步骤(2)所述碱溶液处理得到的全部残渣作为纤维素底物，按照12FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为80g/L，在温度为45℃、pH为6、搅拌转速200rpm的条件下，酶解转化5天，整个酶解过程无需保压。得到1.18×10³kg酶解残渣(含水率为65％左右)，还得到葡萄糖的溶液，质量为9.15×10³kg，浓度为2.89％，则纤维素的提取率达54％。

(4)循环处理

将步骤(3)得到的全部酶解残渣返回步骤(2)进行第二次碱溶液处理，第二次碱溶液处理与本实施例中步骤(2)所述的碱溶液处理的条件相同；得到0.89×10³kg第二次碱解残渣(含水率为65％左右)和0.39×10³kg碱木质素浓缩液，碱木质素浓缩液中碱木质素的含量为23.5％；则第二次碱木质素的提取率为48％；

对所述第二次碱解残渣进行第二次酶解，第二次酶解的条件与本实施例中步骤(3)中所述酶解的条件相同；得到质量为4.2×10³kg、浓度为3.5％的葡萄糖溶液，则第二次纤维素的提取率为30％。

综上所述，半纤维素的提取率为77％，纤维素总的提取率为84％，木质素的总提取率为85％。

以上各个实施例中，仅仅以三级酸水解为例。但是按照试验结果的趋势来看，酸水解级数越多，越有利于最大程度地提取半纤维素。然而从经济性的角度来看，第一级提取得半纤维素最多、最明显，越往后的各级可提取出来的半纤维素越少、越微不足道。同样从试验中认识到，五级以后的酸水解所能提取的半纤维素已经明显地失去了工业上的经济价值，且对木质素和纤维素的破坏高。因此本案中较优的酸水解级数是3-5级。

对比例1

方法同实施例1步骤(1)，不同点在于第1、2和3级酸水解时磷酸的时间均为相同数值，则半纤维素的提取率、纤维素的损失率和木质素的损失率的数值见表1：

表1

对比例2

方法同实施例4步骤(1)，不同点在于第1、2和3级酸水解时硫酸的时间均为相同数值，则半纤维素的提取率、纤维素的损失率和木质素的损失率的数值见表2：

表2

对比例3

取实施例2步骤(1)中的酸水解残渣进行碱溶液处理，方法同实施例2步骤(2)，不同点在于：液体用膜设备进行分离浓缩后没有加水稀释、再次浓缩的步骤，则碱木质素的提取率、碱木质素浓缩液的残余碱的含量、灰分含量和碱液的回收率表3。

对比例4

取实施例2步骤(1)中的酸水解残渣进行碱溶液处理，方法同实施例2步骤(2)，不同点在于：碱溶液处理的温度为170℃，则碱木质素提取率、碱木质素浓缩液的残余碱的含量、灰分和碱液的回收率表3。

表3

对比例5

工艺和方法同实施例3，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，只进行一次纤维素酶解，不进行步骤(4)的循环工艺，得到质量为4.78×10³kg、浓度为3.22％的葡萄糖溶液。纤维素的提取率为41％。

测试例1

向10Kg的苯酚中，分别加入30Kg实施例2和对比例3、4得到的碱木质素溶液，升温至70℃，加入1Kg的氢氧化钠溶液(质量百分比浓度为50)，常压蒸馏至150℃，回流反应90分钟，降温至70-80℃，加入11Kg甲醛(质量百分比浓度为37％)反应90分钟，降温至50℃，调节PH至6.5-7，真空脱水至粘度9000cp/25℃左右，出料。最终可以由实施例2和对比例3、4得到的碱木质素浓缩液分别制得木质素改性酚醛树脂，其性能指标按照下述方法测试，各项性能指标列于表4：

酚醛树脂固含量的测定：根据HG/T 2711进行。

酚醛树脂的粘度的测定：根据HG/T 2712进行。

酚醛树脂游离酚的测定：根据HG5 1342进行。

酚醛树脂游离醛的测定：根据HG5 1343进行。

酚醛树脂凝胶时间的测定：根据HG5 1338进行。

酚醛树脂中水含量的测定：根据HG5 1341进行。

酚醛树脂pH值的测定：根据HG/T 2501进行。

表4 不同碱木质素溶液的改性酚醛树脂的性能指标

三种不同碱木质素溶液得到的酚醛树脂产品中苯酚和甲醛的含量逐渐升高，说明加入的碱木质素溶液不但与甲醛间反应的活性逐渐变弱，而且还影响了苯酚与甲醛的相互反应。第一种碱木质素溶液是本发明得到的碱木质素溶液，其残余碱的含量和灰分含量均较低，基本上不影响碱木质素及苯酚与甲醛之间的反应；第二种碱木质素溶液为直接浓缩得到的碱木质素溶液，未经水洗涤，残余碱的含量和灰分含量均较高，影响了碱木质素及苯酚与甲醛之间的反应；而第三种碱木质素溶液中经过了一个高温蒸煮过程，木质素的一些活性基团在高温条件下受到破坏，因而与甲醛反应时的活性大大减弱。

若直接使用工业碱木质素(山东高唐多元木质素有限公司)配成的25％左右的木质素溶液，合成工艺和方法不变，按照测试例1的方法制备改性酚醛树脂，调节pH值后，仅在瓶底有少量的树脂产生，整体上看碱木质素溶液没有参与反应，减压脱水后，在瓶底发现有碱木质素沉淀，无法得到碱木质素改性的热塑性酚醛树脂。

综上所述，可知本发明得到的碱木质素溶液有较高的活性，可以用以制备改性酚醛树脂等产品。

以上各实施例中，仅仅以时间等幅度降低为例，但是根据本发明的原理和实验测试，非等幅度降低也能实现本发明的目的，在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于包括以下步骤：

（a） 对木质纤维素生物质进行 N 级酸水解，N 级酸水解的反应釜首尾相接，将其中一个反应釜设为第一级，最后一个设为第 N 级，新配制的酸溶液加入第一级酸水解反应釜，第一级酸水解反应釜排出的酸溶液加入第二级酸水解反应釜内，第二级酸水解反应釜内排出的酸溶液加入第三级酸水解反应釜内，其中，每级酸水解反应釜中加入的酸溶液的质量浓度为0.6-10%，依次顺序，直到第 N-1 级酸水解反应釜排出的酸溶液加入第 N 级酸水解反应釜，第 N 级酸水解反应釜排出的酸溶液为最终的戊糖溶液，然后取出第一级酸水解反应釜内的酸水解残渣，装入新的木质纤维素生物质原料，再将第一级酸水解反应釜作为第 N 级酸水解反应釜，将第二级酸水解级反应釜作为第一级酸水解反应釜，第三级酸水解反应釜作为第二级酸水解反应釜，直到第 N 级酸水解反应釜作为第 N-1 级酸水解反应釜，再进行水解反应，如此水解循环往复可以实现木质纤维素生物质的连续水解；其中，第一级水解反应的时间为 1-4 小时，随后各级水解反应的时间逐级减少 0.25-1.5 小时，N 为2-5 的整数；

（b） 用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；

（c）使用纤维素酶对步骤（b）中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；

（d） 步骤（c）完成后，将得到的所述酶解残渣返回步骤（b）进行碱溶液处理或将所述酶解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤（b）的碱溶液处理，然后依次进行步骤（c）和（d），如此循环，从而进一步提取木质素和进行纤维素酶解。

2.根据权利要求 1 所述的方法，其特征在于：所述第一级水解反应的时间为 1.5-3 小时，随后各级水解反应的时间逐级减少 0.5-1 小时。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤（b）的具体步骤为：（ⅰ）经碱溶液处理所述酸水解残渣使其中的木质素溶解于碱溶液；（ⅱ）然后进行过滤、洗涤得到固体和液体；（ⅲ）将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液。

4.根据权利要求3 所述的方法，其特征在于：所述步骤（ⅲ）中还包括所述浓缩得到的碱木质素溶液再用水稀释，然后再次浓缩的步骤。

5.根据权利要求 4所述的方法，其特征在于：所述步骤（ⅲ）中还包括将得到的碱木质素溶液经过中和、过滤和干燥，得到碱木质素固体的步骤。

6.根据权利要求 4或5所述的方法，其特征在于：所述步骤（ⅲ）中还包括在浓缩得到所述碱木质素溶液之后或同时回收利用其中的碱溶液的步骤。

7.根据权利要求 6所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理在 40-100℃下进行。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理中液固体积比为 5:1-20:1。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理中碱溶液的浓度为 0.8-5 重量%。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理的时间为 1-6 小时。

11.根据权利要求7-10 中任意一项所述的方法，其特征在于：所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为 Penicillium decumbens PD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是 CCTCC M 2011195。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述纤维素酶解的条件为：底物用量为 80-150g/L，纤维素酶的添加量为 10-15FPU/g纤维素，温度为 45-55℃、pH 为 4-6、搅拌转速为 50-200rpm，酶解转化时间为 2-7 天。

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