CN111304262A - 一种促进生物质高效利用的预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种促进生物质高效利用的预处理方法。本发明包括以下步骤：将木质纤维素原料与对甲基苯磺酸溶液混合，加热，在恒温下以固定搅拌速度搅拌一定时间后，固液分离，得固体物料，固体物料为含有残留木质素的纤维样品；利用蒸馏水对残留木质素的纤维样品进行冲洗至对甲基苯磺酸被完全洗净，而后再依次进行短时超声处理、冷冻干燥，得充分疏解的纤维物料。本发明在温和条件下对木质纤维素原料进行预处理，各组分损耗较小，所得木质素可以进行高值化利用；而且，对被分离出来的纤维样品进行短时超声预处理又会使纤维素结构变得更加松散，而结构松散的纤维物料在酶解的时候接触面积大，酶解更充分，发酵也更好，乙醇得率更高。

Description

一种促进生物质高效利用的预处理方法
技术领域
本发明涉及农林生物质再利用技术领域，尤其是涉及一种促进生物质高效利用的预处理方法。
背景技术
近年来，石化资源日益枯竭，且石油基产品的大量使用使得全球变暖、雾霾等环境问题日益突出。目前，木质纤维素资源是地球上最丰富的天然可再生资源，树木、农作物秸秆等资源极其丰富，因此，木质纤维素的衍生品是石油基产品最合适的替代品之一。但是，现有的木质纤维素结构复杂，存在利用困难、转化率低等问题，这就导致其利用成本居高不下。为了提高木质纤维素的高值化利用率，在利用之前大都需要首先对木质纤维素进行预处理。
当前木质纤维素的预处理有酸法预处理、碱法预处理、高温水热预处理和有机溶剂预处理等多种技术手段，但难以兼顾能耗、预处理效率、废液处理成本及环保性等问题，这在很大程度上限制了木质纤维素材料的利用。例如：CN105002232A公开了一种提高木质纤维素糖化效果的组合预处理工艺，该专利中公开了一种木质纤维素的预处理手段并对纤维素进行糖化应用，具体指出首先要通过碱/尿素溶液去除木质纤维素原料中的部分木质素和半纤维素成分，进一步利用超声预处理使木质纤维素结构变的更松散，大幅提高木质纤维素的糖化效率，但是该发明只考虑到纤维素的糖化，预处理过程对原料中的木质素和半纤维素破坏严重；CN104774876A公开了一种木质纤维素生物质综合利用的方法，该方法公开了一种木质纤维素生物质的预处理手段及综合利用方法，具体为：将木质纤维素粉碎后加入亚硫酸盐蒸煮，然后固液分离，将得到的纤维素固体进行糖化制乙醇，将液体干燥得到磺化木质素，实现木质纤维素的高效利用，但是预处理和应用过程复杂、操作繁琐，且预处理需要在高温下进行，能耗较高；CN110093172A公开的一种生物质材料的综合利用方法，该方法公开了一种生物质材料的预处理及应用的方法，具体为：在超临界条件下，利用复合金属催化剂、微波辅助将生物质材料转化为活性炭、富氢气体和液体燃料，但是该过程需要在高温高压下进行，耗能高，且处理过程中用到有机溶剂，会对环境产生不利影响。由此可见，目前所用生物质预处理手段仍然存在耗能高、收率低、催化剂不易回收等缺点，因此需要开发一种能耗低、得率高、所得各组分性能较好的木质纤维素预处理方法。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种促进生物质高效利用的预处理方法。
一种促进生物质高效利用的预处理方法，包括如下步骤：将木质纤维素原料与对甲基苯磺酸溶液混合，加热，在恒温下以固定搅拌速度搅拌一定时间后，固液分离，得固体物料和液体物料，这一过程为前期处理；所述固体物料为含有残留木质素的纤维样品，利用蒸馏水对残留木质素的纤维样品进行冲洗至纤维样品中的对甲基苯磺酸被完全洗净，而后再对纤维样品依次进行短时超声处理、冷冻干燥，得充分疏解的纤维物料，该纤维物料结构较松散；所述液体物料主要包括半纤维素、纤维素降解产物以及被脱除的木质素，将液体物料依次进行加水沉淀、离心分离可得固体状的高值木质素。
优选地，所述对甲基苯磺酸溶液的浓度为60-80 wt %。
优选地，木质纤维素原料与对甲基苯磺酸溶液的质量比为5：50。
优选地，前期处理温度为70-80℃，搅拌速度为500-700 rpm，搅拌时间为15-60min。
优选地，所述短时超声处理过程为在去离子水中对纤维样品进行10-20 s超声处理，超声处理的温度为25-40℃。
一种利用上述纤维物料制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：用15 -30FPU/g的纤维素酶，在40℃下，将一定量充分疏解的纤维物料进行酶解，酶解6-10h后，加入相对于纤维物料质量3%-7%的酿酒酵母发酵，发酵60-72h，即可获得较高浓度的乙醇。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
本申请先对木质纤维素原料进行前期处理，然后将前期处理制备出的固体物料和液体物料分别进行处理，得到结构较松散的纤维物料和固体状的高值木质素；由于本申请中对固体物料采用了短时超声处理，而短时超声处理又可使纤维物料的结构得到充分疏解而变得结构松散，因此，对前期处理得到的固体物料的结构松散程度要求不高，这就是说，在前期处理过程可缩短前期处理的时间，据实验测试，在得到松散程度相同的纤维物料的前提下，采用短时超声处理时，预处理时间仅需15min，而不采用短时超声处理时，预处理时间为40min，显然，采用短时超声处理这一后续步骤可有效缩短木质纤维物料的前期处理时间；而前期处理时间短，就意味着使用对甲基苯磺酸处理木质纤维物料的时间短，对甲基苯磺酸处理木质纤维物料的时间越短则对木质素的破坏越小，经二维核磁表征可知经本预处理方法制备出的木质素中β-O-4键含量高，经一维核磁磷谱表征可知经本预处理方法制备出的木质素中α羟基含量高，经GPC表征可知经本预处理制备出的木质素分子量高，这也说明本申请所述的预处理方法对木质素破坏比较小，木质素的性能好，可利用价值比较高；而且，对被分离出来的含有残留木质素的纤维样品进行短时超声预处理又会使纤维素结构变得更加松散，而结构松散的纤维物料在酶解的时候接触面积大，酶解更充分；此外，本发明所使用的对甲基苯磺酸又可通过重结晶技术进行回收利用，减少催化剂成本，降低环境污染。
具体实施方式
为了能够更清楚的理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于公开说明书的具体实施案例。
实施例1：
将40-60目的木质纤维素原料与浓度为70 wt%的对甲基苯磺酸溶液混合，木质纤维素原料质量浓度为6%，在80℃下，以500 rpm的转速搅拌15 min进行反应，木质纤维素原料中大部分木质素被脱除；反应结束后，使用布式漏斗进行固液分离，得固体物料和液体物料；所述固体物料为含有残留木质素的纤维原料，而后使用2000 ml蒸馏水反复冲洗含有残留木质素的纤维原料至纤维原料中的对甲基苯磺酸被完全洗净，而后在去离子水中对处理后的纤维原料进行短时（10s）超声处理，而后再对其进行冷冻干燥，得到结构松散的纤维产品；所述液体物料主要包括半纤维素、纤维素降解产物以及被脱除的木质素，将液体物料依次进行加水沉淀、离心分离可得固体状的高值木质素。
本实施例一中利用纤维物料制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：用15 FPU/g的纤维素酶，在40℃下，将7 g充分疏解的纤维物料进行酶解，在酶解6h后，加入0.35 g酿酒酵母发酵，发酵72h后，即可获得较高浓度的乙醇。
利用液相色谱仪对本实施例一制备出的乙醇的浓度进行测量可知，乙醇浓度为40.08g/L。
利用二维核磁对实施例一中经预处理制备出的高值木质素中β-O-4键含量进行表征可知：木质素中β-O-4含量为60%；利用一维核磁磷谱对实施例一中经预处理制备出的木质素中α羟基含量进行表征可知：α羟基含量为4.19 mmol/g；经GPC表征可知，经本预处理制备出的木质素分子量为3357±121 g/mol。
实施例2：
将40-60目的木质纤维素原料与浓度为80 wt%的对甲基苯磺酸溶液混合，木质纤维素原料质量浓度为6%，在80℃下，以500 rpm的转速搅拌30 min进行反应，木质纤维素原料中大部分木质素被脱除；反应结束后，使用布式漏斗进行固液分离，得固体物料和液体物料；所述固体物料为含有残留木质素的纤维原料；而后使用2000 ml蒸馏水反复冲洗含有残留木质素的纤维原料至纤维原料中的对甲基苯磺酸被完全洗净，而后在去离子水中对处理后的纤维原料进行短时（10s）超声处理，而后再对其进行冷冻干燥，得到结构松散的纤维产品；所述液体物料主要包括半纤维素、纤维素降解产物以及被脱除的木质素，将液体物料依次进行加水沉淀、离心分离可得固体状的高值木质素。
本实施例二中利用纤维物料制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：用15 FPU/g的纤维素酶，在40℃下，将7 g充分疏解的纤维物料进行酶解，在酶解6h后，加入0.35 g酿酒酵母发酵，发酵72h后，即可获得较高浓度的乙醇。
利用液相色谱仪对本实施例二制备出的乙醇的浓度进行测量可知，乙醇浓度为43.08g/L。
利用二维核磁对实施例一中经预处理制备出的木质素中β-O-4键含量进行表征可知：木质素中β-O-4含量为52%；利用一维核磁磷谱对实施例一中经预处理制备出的木质素中α羟基含量进行表征可知：α羟基含量为3.23 mmol/g；经GPC表征可知，经本预处理制备出的木质素分子量为3012±109 g/mol。
实施例3：
将40-60目的木质纤维素原料与浓度为60 wt%的对甲基苯磺酸溶液混合，木质纤维素原料质量浓度为6%，在70℃下，以500 rpm的转速搅拌15 min进行反应，木质纤维素原料中大部分木质素被脱除；反应结束后，使用布式漏斗进行固液分离，得固体物料和液体物料；所述固体物料为含有残留木质素的纤维原料；而后使用2000 ml蒸馏水反复冲洗含有残留木质素的纤维原料至纤维原料中的对甲基苯磺酸被完全洗净，而后在去离子水中对处理后的纤维原料进行短时（10s）超声处理，而后再对其进行冷冻干燥，得到结构松散的纤维产品；所述液体物料主要包括半纤维素、纤维素降解产物以及被脱除的木质素，将液体物料依次进行加水沉淀、离心分离可得固体状的高值木质素。
本实施例三中利用纤维物料制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：用15 FPU/g的纤维素酶，在40℃下，将7 g充分疏解的纤维物料进行酶解，在酶解6h后，加入0.35 g酿酒酵母发酵，发酵72h后，即可获得较高浓度的乙醇。
利用液相色谱仪对本实施例三制备出的乙醇的浓度进行测量可知，乙醇浓度为36.16g/L。
利用二维核磁对实施例三中经预处理制备出的木质素中β-O-4键含量进行表征可知：木质素中β-O-4含量为64%；利用一维核磁磷谱对实施例一中经预处理制备出的木质素中α羟基含量进行表征可知：α羟基含量为5.13 mmol/g；经GPC表征可知，经本预处理制备出的木质素分子量为3524±98g/mol。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单的修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种促进生物质高效利用的预处理方法，其特征在于：包括如下步骤：将木质纤维素原料与对甲基苯磺酸溶液混合，加热，在恒温下以固定搅拌速度搅拌一定时间后，固液分离，得固体物料和液体物料，这一过程为前期处理；所述固体物料为含有残留木质素的纤维样品，利用蒸馏水对残留木质素的纤维样品进行冲洗至纤维样品中的对甲基苯磺酸被完全洗净，而后再对纤维样品依次进行短时超声处理、冷冻干燥，得充分疏解的纤维物料；所述液体物料主要包括半纤维素、纤维素降解产物以及被脱除的木质素，将液体物料依次进行加水沉淀、离心分离可得固体状的高值木质素。
2.根据权利要求1所述的促进生物质高效利用的预处理方法，其特征在于：所述对甲基苯磺酸溶液的浓度为60-80 wt %。
3.根据权利要求1所述的促进生物质高效利用的预处理方法，其特征在于：木质纤维素原料与对甲基苯磺酸溶液的质量比为5：50。
4.根据权利要求1所述的促进生物质高效利用的预处理方法，其特征在于：预处理温度为70-80℃，搅拌速度为500-700 rpm，搅拌时间为15-60 min。
5.根据权利要求1所述的促进生物质高效利用的预处理方法，其特征在于：所述短时超声处理过程为在去离子水中对纤维样品进行10-20 s超声处理，超声处理的温度为25-40℃。
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