CN109232909B - 一种农林生物质分离高活性木质素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农林生物质分离高活性木质素的方法，包括如下具体步骤：（1）将生物质原料粉碎、过筛，脱脂脱蜡处理后干燥，备用；（2）将步骤（1）得到的生物质原料加入配制好的甲苯磺酸/乙醇体系中，控制反应温度为40‑100℃，反应时间为10‑120min，得到共混物；（3）向步骤（2）中的共混物中加入热水，抽滤得到富含纤维素组分，清洗后干燥备用；（4）将步骤（3）剩余液体部分继续加水至对甲苯磺酸浓度小于11.5%，离心分离，其中固体部分透析后干燥备用，剩下的液体部分旋转蒸发浓缩，再通过重结晶回收对甲苯磺酸，最后剩下半纤维素及其降解产物组分。本发明主要关注农林生物质中高活性木质素的分离，同时也实现了农林生物质细胞壁的全组分分离。

Description

一种农林生物质分离高活性木质素的方法

技术领域

本发明属于生物质精炼与资源化领域，具体涉及一种农林生物质分离高活性木质素的方法。

背景技术

木质纤维素的利用长期存在单一组分资源化的问题(Wen,J.,Yuan,T.,Sun, R.,2017.Biorefining and multistage utilization of lignocellulosic biomass.Biotechnology and Business,3,94-99)，其中纤维素、半纤维素(约占70％)，结构相对简单，分离后通过化学催化或生物发酵可以得到纸制品、纳米纤维素材料、乙醇、糠醛、羟甲基糠醛等。剩下30％木质素，则由于结构复杂，在现有的工业分离条件下，无法实现有效分离及高值化(Sun,S.N.,Sun,S.L.,Cao,X.F.,et al., 2016,The role of pretreatment inimproving the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials.BioresourceTechnology,199,49-58.)。木质素主要由单体通过芳基醚键、C-C键等聚合而成。C-C键的存在使得木质素结构非常牢固，在分离时难以被破坏。而且在传统分离过程中，木质素分子间还会发生大量C-C 缩合结构，进一步加深分离难度。同时木质素的这种自缩合反应，会导致其网状结构坍塌，反应活性位点减少，影响后续高值转化(Gierer,J.,1986.Chemistry ofdelignification.Wood Science&Technology.20，1-33)。木质素是自然界中唯一的可再生芳香族聚合物，可用于生产生物质燃料、功能材料、精细化学品等，其应用潜力巨大、前景广泛(Derek,S.,2008.Lignin as a base material for materials applications:Chemistry,application and economics.Industrial Crops and Products.27, 202-207.)。但我国每年1100万吨产量的木质素，有效利用率不足20％(Mahmood, N.,Yuan,Z.S.,Schmidt,J.et al.,2016.Depolymerization of lignins and their applicationsfor the preparation of polyols and rigid polyurethane foams:a review.Renewable&Sustainable Energy Reviews,60,317-329.)。如何在保持原有结构特点的前提下，实现木质素的高效分离已成为当前国内外生物炼制领域的研究热点。

最初，研究者利用强酸、强碱，将木质纤维素在高温(140-170℃)的条件下进行处理，溶出其中40-60％的木质素，得到碱木质素、木质素磺酸盐等，这类产品纯度低、C-C缩合程度高、反应活性低(

E.,1983.Wood Chemistry: Fundamental andApplications,2nd ed.Academic Press:New York.37–81)。上世纪 80年代，有机溶剂法由于分离效率高、溶剂易回收、环境污染程度低等优点 (Evtuguin,D.V.,Deineko,I.P.,Neto,C.P.,1999,Oxygen delignification in aqueous organic solventsmedia.Cellulose Chemistry&Technology,33,103-123)，引起了研究者的广泛关注。相较传统酸碱法，该法可以溶出70％左右，纯度较高、活性较好的木质素产品。但有机溶剂法需在高温下进行，分离木质素的C-C缩合程度较高(Sarkanen,K.V.,1980.Acid-CatalyzedDelignification of Lignocellulosics in Organic Solvents.Progress in BiomassConversion,2,127-144)。2000年后，离子液体(Ionic Liquids,ILs)被发现对木质素具有良好的溶解选择性，可用于木质素的高效分离(

P.,Anugwom，I.，Virtanen P.,et al.,2010.Dissolution of lignocellulosic materials and its constituentsusing ionic liquids—A review.Industrial Crops&Products,32,175-201)。该法在常压下能够从原料中分离出70-80％的高品质分离木质素。但ILs价格高昂，咪唑、吡啶类ILs的毒性要大于传统有机溶剂，难以大规模工业化(Vancov,T.,Alston,A.S.，Brown,T.,etal.,2012.Use of ionic liquids in converting lignocellulosic material tobiofuels.Renewable Energy, 2012.45,1-6)。2010年后，研究者发现胆碱类低共熔溶剂(Deep eutectic solvents， DESs)具有溶解木质素但不溶解纤维素的特性(Francisco,M.,Van den Bruinhorst, A.,Kroon,M.C.,2012.New natural and renewable lowtransition temperature mixtures(LTTMs):screening as solvents forlignocellulosic biomass processing. Green Chemistry,14,2153-2157.)。Alvarez-Vasco等用氯化胆碱/乳酸(ChCl/LA) 在145℃下处理6个小时，杨木中78％的木质素能够被抽提出来，且木质素的纯度高达95％，但分子量较低(2500左右)(Alvarez-Vasco,C.,Ma,R.,Quintero, M.,et al.,2016.Unique low-molecular-weight lignin with highpurity extracted from wood by deep eutectic solvents(DES):a source of ligninfor valorization.Green Chemistry,18,5133-5141)。常杰等报道了ChCl/LA摩尔比1∶9、温度90℃、时间12h，此时杨木木质素的溶解率达90％，再生木质素纯度为96％(常杰,刘钧,郭姝君等,2016.新型深度共熔溶剂选择性分离木质素的研究.华南理工大学学报 (自然科学版),44(6),14-20)。并且DESs具有类似ILs的理化性质、合成简单、成本低廉、具有良好工业化前景(Francisco,M.,Van den Bruinhorst,A.,Kroon,M.C., 2013.Low-transition-temperature mixtures(LTTMs):a new generation of designer solvents.AngewandteChemie International Edition,2013.44(27):p.3074-3085)。近期，美国农业部林产品实验室J.Y.Zhu团队，发现利用80％对甲苯磺酸 (p-toluenesulfonic acid，TsOH)在80℃，20分钟即可从杨木粉中同时分离出 90％木质素、90％的纤维素及85％的半纤维素，且分离出的木质素分子量明显提高(5000左右)(Chen,L.,Dou,J.,Ma,Q.,et al.,2017.Rapid andnear-complete dissolution of wood lignin at≤80℃by a recyclable acidhydrotrope.Science Advances,3,1701-735)。相较于DESs法，TsOH法运用了低温和短时间，溶剂成本低廉，且可通过简单重结晶回收利用，具有极其巨大工业化潜力(Bian,H.,Chen, L.，Gleisner,R.，et al.,2017.Producing wood-based nanomaterials by rapidfractionation of wood at 80℃ using a recyclable acid hydrotrope.GreenChemistry, 19,3370-3379)。但Chen等在研究中发现TsOH分离木质素在其苯环的2,5,6号位仍存在大量C-C缩合结构，降低分离木质素高值化潜力。在木质素分离得率问题、纯度问题相继得以解决之后，木质素自缩合问题已成为当前木质素分离及高值化研究领域中亟待解决的主要问题(Chen,L.,Dou,J.,Ma,Q.,et al.,2017. Rapid and near-completedissolution of wood lignin at≤80℃by a recyclable acid hydrotrope.ScienceAdvances,3,1701-735)。

发明内容

针对现有问题的不足，本发明的目的是提供一种农林生物质分离高活性木质素的方法，在实现高活性木质素分离的同时，也实现了农林生物质的全组分分离。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种农林生物质分离高活性木质素的方法，按照以下步骤进行：

(1)将生物质原料粉碎、过筛，脱脂脱蜡处理后干燥，备用；

(2)将步骤(1)得到的生物质原料加入配制好的甲苯磺酸/乙醇体系中，控制反应温度为40-100℃，反应时间为10-120min，得到共混物；

(3)向步骤(2)中的共混物中加入热水，抽滤得到富含纤维素组分，清洗后干燥备用；

(4)将步骤(3)剩余液体部分继续加水至对甲苯磺酸浓度小于11.5％，离心分离，其中固体部分透析后干燥备用，剩下的液体部分旋转蒸发浓缩，再通过重结晶回收对甲苯磺酸，最后剩下半纤维素及其降解产物组分。

对甲苯磺酸是一种良好的水助溶物，浓度大于11.5％的对甲苯磺酸水溶液对木质素具有良好的溶解性能，但当浓度小于11.5％，木质素会从酸液中析出。本发明就是利用这里特性，对木质素进行再生和回收。同时对甲苯酸可以通过在水中重结晶的方法进行回收。

乙醇是一种常见的有机溶剂，本发明中用乙醇代替水，主要有以下三个原因： (1)对甲苯磺酸易溶于乙醇，可以使对甲苯磺酸充分液化，方便反应；(2)在酸性介质中，乙醇可以与木质素侧链的α位生成醚键，阻止木质素自缩合，一定程度上使木质素结构与活性得以保持；(3)乙醇对木质素有一定的溶解性，有利于反应中木质素的溶出。

作为本申请的优选技术方案，所述步骤(2)中农林生物质的物料反应浓度为1-10wt％。

作为本申请的优选技术方案，所述步骤(2)对甲苯磺酸/乙醇体系中，对甲苯磺酸的质量浓度为30-80wt％。其中，本发明通过调节对甲苯磺酸的酸浓、反应温度、反应时间等，对反应条件进行优化，对甲苯磺酸的质量浓度为30-80wt％，反应温度范围为40-100℃，反应时间范围为10-120min。在研究中发现，高酸浓、低温及短时间的反应条件有利于木质素的分离，而低酸浓、高温及长时间的反应条件则有利于半纤维素的分离，因此利用本发明可实现对农林生物质细胞壁全组分的可控分离。

作为本申请的优选技术方案，所述步骤(2)对甲苯磺酸/乙醇体系配制前，需脱除甲苯磺酸的结晶水。对甲苯磺酸，是一个不具有氧化性的有机强酸，可溶于水、醇和其他极性溶剂，常见的是对甲苯磺酸一水合物，因此使用时需利用乙醇共沸除水。配制后的对甲苯磺酸/乙醇体系中，通常的水分含量在3-5％。不将水除尽，主要有两点原因：(1)对甲苯磺酸中结晶水非常难脱除；(2)在本发明所述的反应条件下，保留一定水分，能有效阻止甲苯磺酸/乙醇体系自身发生酯化反应。

作为本申请的优选技术方案，所述步骤(2)中乙醇替换为甲醇或者正丁醇。

作为本申请的优选技术方案，所述农林生物质包括木质纤维原料以及农林废弃物，其中，木质纤维素主要包括针叶材、阔叶材和禾木科植物；农林废弃物主要包括农业秸秆、稻壳、林产品加工边角料、薪柴、树皮、花生壳、枝桠柴、卷皮和刨花，其主要成分是纤维素、半纤维素及木质素。

当前工艺技术已解决分离木质素的得率和纯度问题，但分离过程中木质素的过度降解及C-C缩合反应，会导致分离出的木质素网状结构坍塌、反应活性降低，影响后续高值化利用潜力。本发明利用无水乙醇，代替水，构建对甲苯磺酸 /乙醇体系，对农林生物质中木质素进行分离。有效控制了木质素β-O-4降解以及C-C缩合反应，提高了分离木质素的活性，其主要原理如下：

(1)对甲苯磺酸溶于水后，会解离出大量H⁺，使木质素侧链α芳基醚键断裂，促进木质素的溶解，但由于水的参与，木质素会进一步发生β芳基醚键断裂以及 C-C缩合反应，见图1，从而降低木质素活性。而对甲苯磺酸在乙醇同样会发生解离，并且在酸性介质中，乙醇可以同木质素发生醚化反应，阻止进一步降解和缩合反应的发生，使分离出的木质素中β-O-4结构增加、缩合结构减少，从而提高木质素活性。

(2)对甲苯磺酸在乙醇中的溶解度要优 于在水中的溶解度，同样酸浓、同样温度的对甲苯磺酸/乙醇体系，具有更低的粘度，更加有利于反应的进行与木质素碎片的溶出。

有益效果

本发明提供的农林生物质分离高活性木质素的方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明主要关注农林生物质中高活性木质素的分离，但同时也实现了农林生物质细胞壁的全组分分离，其中纤维素分离效率不低于90％，木质素的分离效率不低于80％，半纤维素的分离效率不低于80％；由于纤维素、半纤维素高值化难度低，所以未在本发明中深入研究；

(2)反应中所用的药品均可实现回收及重复利用；乙醇与水可通过精馏回收，对甲苯磺酸可通过重结晶回收，且回收后药品纯度达标，经验证，重复使用5 次以上，药品质量未见明显下降；

(3)可根据不同生产需求，通过反应条件的改变，控制产物得率和性质；高酸浓、低温及短时间的反应条件有利于木质素的分离，而低酸浓、高温及长时间的反应条件则有利于半纤维素的分离；

(4)经仪器表征，对甲苯磺酸/乙醇溶剂分离木质素的活性要优于对甲苯磺酸/ 水溶剂分离木质素。

附图说明

图1为木质素在对甲苯磺酸/乙醇溶剂体系中的降解历程；

图2为对甲苯磺酸/乙醇溶剂体系全组分分离农林生物质细胞壁工艺流程图；

图3为对甲苯磺酸/乙醇体系分离出的纳米木质素颗粒TEM图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。所用试剂或者仪器设备未注明生产厂商的，均视为可以通过市场购买的常规产品。

一种农林生物质分离高活性木质素的方法，如图2所述，按照以下步骤进行：

(1)将生物质原料粉碎、过筛，脱脂脱蜡处理后干燥，备用；

(2)将步骤(1)得到的麦草原料加入配制好的甲苯磺酸/乙醇体系中，控制酸浓，反应温度和反应时间，得到共混物；本发明通过调节对甲苯磺酸的酸浓、反应温度、反应时间等，对反应条件进行优化，对甲苯磺酸的酸浓为30-80wt％，反应温度范围为40-100℃，反应时间范围为10-120min；申请人在研究中发现，高酸浓、低温及短时间的反应条件有利于木质素的分离，而低酸浓、高温及长时间的反应条件则有利于半纤维素的分离，因此利用本发明可实现对农林生物质细胞壁全组分的可控分离；

(3)反应结束之后，利用布氏漏斗对共混物进行固液分离，固定部分为富含纤维素的组分，液体部分为木质素和半纤维素以及蒸煮药剂的混合液；

混合液加水稀释，将对甲苯磺酸浓度稀释至11.5％以下，使得木质素组分析出，再利用冷冻高速离心机，将木质素沉淀与溶液分离，分离出的木质素组分进行透析纯化，而溶液则经旋转蒸发浓缩，回收乙醇。而浓缩液经重结晶回收大部分对甲苯磺酸，剩余溶液中则富含半纤维素及其水解产物。

实施例1：

实验用的麦草秸秆产自江苏沭阳。将原料剪至长约3cm，再用植物粉碎机将麦草秸秆粉碎后过筛，取20-80目(占原料的80％)的麦草粉，风干后备用。

(1)将20-80目麦草粉于索氏抽提器中在85℃温度下，用苯醇(2:1,v/v) 抽提8h，以脱除原料草粉中的脂类和蜡质，抽提后，原料风干备用。

(2)对甲苯磺酸、乙醇均购买自阿拉丁试剂，在配制对甲苯磺酸/乙醇溶剂前，需先将对甲苯磺酸溶于无水乙醇中，利用旋转蒸发仪，尽量脱除其中结晶水后，再与无水乙醇复配形成目标溶剂。溶液配制前后，水分的变化，利用卡尔费休水分测定仪测定；

将步骤(1)得到的麦草原料加入配制好的甲苯磺酸/乙醇体系中，控制酸浓 (P)，反应温度(T)和反应时间(min)，得到共混物；

(3)反应后的共混物粘度通常较大，因此需要向其中加入等量的热水，再用布氏漏斗进行固液分离，将固体部分真空干燥备用；液体部分继续加水至对甲苯磺酸浓度小于11.5％，之后用高速冷冻离心机将滤液部分进一步固液分离，固体部分透析(透析袋Mw14000)后冷冻干燥备用。液体部分用旋转蒸发浓缩，再通过重结晶回收对甲苯磺酸，最后剩下半纤维素及其降解产物组分。

分离结束后，利用化学成分分析、官能团分析、硝基苯氧化、臭氧解测试、透射电镜(TEM)对实验结果进行了分析与表征。

实验结果：

经原料分析，草粉原料成分中葡聚糖含量43.8％，木聚糖含量19.7％，Klason 木质素(KL)含量20.8％，灰分为4.3％，以上得率均基于绝干草粉。通过表1 可知，若以分离木质素为目的，反应条件为80％酸浓反应温度80℃反应时间 20min时，90.7％的纤维素被保留在浆料中，而89.3％的木质素被分离出来，且回收后木质素的纯度高达93.8％，并且此时木聚糖的回收率达到了57.4％。若以分离半纤维素为目的，则优选条件酸浓40％反应温度100℃反应时间40min，此时91.5％的纤维素被保留在浆料当中，木质素脱出率为80.3％，而半纤维素的回收率为81.2％。相较于传统酸碱蒸煮条件(140-180℃蒸煮2-4h)，对甲苯磺酸/ 乙醇体系显示出条件温和，分离效率高，且产物可定向调节的优势，极大的推动了农林生物质细胞壁分离技术的发展。

表1对甲苯磺酸/乙醇体系处理麦草后各组分得率分析

1.样品编号中P代表酸浓(p-TsOH,wt％)，T代表反应温度(℃)，t代表反应时间(min)

表2对甲苯磺酸/乙醇体系分离出木质素结构分析

表3木质素分子量分布

硝基苯氧化的得率多少代表木质素缩合程度的高低，H/V/S则代表木质素结构的变化。臭氧解得率的高低代表β-O-4连接受破坏的程度。表2中，硝基苯氧化及臭氧解测试结果同时表明，虽然同等条件下，对甲苯磺酸/乙醇体系分离木质素分离得率要低于对甲苯磺酸/水体系。但乙醇的添加却可以减少木质素在反应中的缩合及β-O-4结构的降解，从而得到结构活性较高的木质素产品。如表3 所示，对甲苯磺酸/乙醇体系的分子量略大于对甲苯磺酸/水体系；通过对分离出木质素与麦草CEL的2D-NMR图谱相比较，发现其结构与CEL非常接近，进一步证明了本发明中木质素产品的结构保持良好。

图3是分离后木质素的TEM照片，从图3可以看出，本发明分离出的木质素大部分为不规则颗粒，其尺寸小于100nm，且通常呈团聚状态，团聚后尺寸分布在100nm-1.5um之间。总体来说，分离后木质素在尺寸上接近纳米级，为后续制备纳米木质素材料提供了有利条件。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求为保护范围。

Claims (6)

1.一种农林生物质分离高活性木质素的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

（1）将生物质原料粉碎、过筛，脱脂脱蜡处理后干燥，备用；

（2）将步骤（1）得到的生物质原料加入配制好的对甲苯磺酸/乙醇体系中，控制反应温度为40-100℃，反应时间为10-120min，得到共混物，其中所述对甲苯磺酸/乙醇体系中对甲苯磺酸的质量浓度为30-80wt%；

（3）向步骤（2）中的共混物中加入热水，抽滤得到富含纤维素组分，清洗后干燥备用；

（4）将步骤（3）剩余液体部分继续加水至对甲苯磺酸浓度小于11.5%，离心分离，其中固体部分透析后干燥备用，剩下的液体部分旋转蒸发浓缩，再通过重结晶回收对甲苯磺酸，最后剩下半纤维素及其降解产物组分。

2.根据权利要求1所述的农林生物质分离高活性木质素的方法，其特征在于，所述步骤（2）中农林生物质的物料反应浓度为1-10wt%。

3.根据权利要求1所述的农林生物质分离高活性木质素的方法，其特征在于，所述步骤（2）对甲苯磺酸/乙醇体系配制前，需脱除对甲苯磺酸的结晶水。

4.根据权利要求1所述的农林生物质分离高活性木质素的方法，其特征在于，所述步骤（2）中乙醇替换为甲醇或者正丁醇。

5.根据权利要求1所述的农林生物质分离高活性木质素的方法，其特征在于，所述农林生物质包括木质纤维原料以及农林废弃物。

6.根据权利要求5所述的农林生物质分离高活性木质素的方法，其特征在于，所述木质纤维原料主要包括针叶材、阔叶材和禾木科植物；所述农林废弃物主要包括农业秸秆、稻壳、林产品加工边角料、薪柴、树皮、花生壳、枝桠柴、卷皮和刨花。

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