木質纖維素組分分離的綠色工藝制造技術

一種木質纖維素組分分離的綠色工藝，歸屬生物質資源高值利用和生物化工領域。該工藝通過輻照預處理生物質，耦合低沸點四氫呋喃或者高沸點γ-內戊酯反應，一次過濾得纖維素組分。濾液經回收四氫呋喃，或加入飽和NaCl溶液分相沉淀木質素，二次過濾，殘渣為木質素組分，二次濾液干燥為半纖維素組分。本發明專利技術的優點在于不需添加任何酸、堿和醇等有機溶劑，即可實現木質纖維素組分分離，工藝簡單，高效清潔。

【技術實現步驟摘要】
木質纖維素組分分離的綠色工藝
本專利技術屬于生物質資源高值利用和生物化工領域，涉及一種不需添加任何酸、堿、醇等有機溶劑，即可實現木質纖維素組分分離的綠色工藝。
技術介紹
能源安全是關乎國家政治穩定和經濟可持續發展的重要因素，尋找清潔可再生能源代替傳統化石能源已經成為全球炙手可熱的研究課題。木質纖維素生物質作為地球上儲量最豐富的可再生有機能源庫，能煉制出多種清潔生物燃料和生物基化學品，將在未來能源結構中扮演越來越重要的角色。然而，木質纖維素結構緊密復雜，微生物和生物酶難以降解，且不同種屬與來源的木質纖維素結構和組分也不盡相同。因此，實現木質纖維素的生物煉制，前提在于其組分的分級分離。專利(CN201310688644，2014)公開了一種木質纖維素原料組分分離的方法。該方法采用含有NaOH和H2O2的水溶液處理木質纖維素原料，反應后過濾獲得纖維素，濾液則通過調制溶液的pH分離木質素，加入乙醇分離半纖維素，從而實現纖維素、木質素、半纖維素的分級分離。專利(CN201410063224，2014)公開了一種分離與純化楊木乙酸木質素的方法。該方法采用乙酸和鹽酸為蒸煮試劑，然后利用水中沉淀、堿處理和膜分離技術，分離得到楊木乙酸木質素。專利(CN201110460994，2011)公開了一種纖維素組分分離耦合木質素降解產生芳香醛的方法，該方法先利用稀酸處理分離出半纖維素，然后在堿性條件下分離纖維素，并以鈣鈦礦型復合氧化物催化木質素堿液制備芳香醛。專利(CN200710060358，2007)一種采用甲酸水解木質纖維素，分離生物質組分的方法，分離過程中進行了大量的水洗步驟。專利(CN200710177982，2007)公開了一種采用脫脂粗甘油預處理木質纖維素分離組分的方法。該方法先用脫脂粗甘油與木質纖維素混合蒸煮，分離纖維素部分；調節濾液pH和醇析，分離半纖維素部分；回收乙醇過濾獲得木質素部分。綜上，目前公開的有關木質纖維素組分分離的報道專利，均需添加酸或堿，以及醇析等過程，耗水量大、易產生廢酸或廢堿液的排放，存在“二次污染”的隱患。為克服目前公開專利的木質纖維素組分分級分離技術存在的不足，本專利技術采用伽瑪射線直接作用于固態生物質進行預處理，耦合低沸點四氫呋喃(～65℃)或者高沸點γ-內戊酯(～207℃))反應，一次過濾得纖維素組分；濾液經回收四氫呋喃或加入飽和NaCl溶液分相，二次過濾，殘渣為木質素組分，二次濾液干燥為半纖維素組分。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種不需添加任何酸、堿、醇等有機溶劑，即可實現木質纖維素組分分離的綠色工藝。為實現上述目的，本專利技術以木質纖維素為原料，經由輻照預處理，耦合低沸點四氫呋喃或者高沸點γ-內戊酯反應，經簡單過濾分離和干燥即可實現纖維素、半纖維素和木質素的分級分離。包括以下步驟：(1)木質纖維素切碎后，以固態形式進行輻照預處理，破壞木質纖維素緊密結構；木質纖維素包括農業廢棄秸稈或林業加工廢棄物或生物質原料；(2)輻照預處理后的生物質粉碎后，置入反應釜中，加入四氫呋喃或者高沸點γ-內戊酯反應，溶解木質素和半纖維素，固液質量體積比為1:5～1:10mL/g，反應時間為1～6h，反應溫度為50-180℃；反應完成后，過濾，殘渣為纖維素組分；(3)一次濾液經溶劑回收，或者加入飽和氯化鈉溶液，分相沉淀木質素；二次過濾，殘渣為木質素組分，二次濾液干燥即為半纖維素組分。所述方法，其中的木質纖維素涉及到木質纖維素原料包括農業廢棄秸稈，如稻草秸稈、稻殼、玉米秸稈、小麥秸稈等、林業加工廢棄物，如木材加工下腳料、木屑等、以及能源草、蘆葦稈等生物質原料。所述方法，其中的輻照預處理技術的能量源包括電子、γ-輻射、中子、微波等任何一種。所述方法，其中的輻射劑量范圍為100～2000kGy,在輻照劑量500～900kGy時，木質纖維素緊密結構松散效果最佳。所述方法，其中四氫呋喃或者γ-內戊酯反應條件為：固液質量體積比為1:5～1:10mL/g，反應時間1～6h，反應溫度50-180℃。所述方法，其中干燥條件為：干燥溫度105℃和干燥時間2～10h。所述方法，其中四氫呋喃或者γ-內戊酯反應可回收重復多次使用。所述方法，纖維素組分產品得率為原木質纖維素干重51～56％，葡萄糖含量大于90％。所述方法，半纖維素組分產品得率為原木質纖維素干重16～21％，木糖及其衍生物含量55～75％。所述方法，木質素組分產品得率為原木質纖維素干重12～20％，純度大于80％。所述純度都是以質量百分比為單位。相比目前公開的有關木質纖維素組分分離的報道專利，本專利技術具有木質纖維素組分分級分離無需添加酸堿和乙醇，工藝操作簡單、節水節能、清潔環保等優勢。具有如下明顯技術優勢：(1)本專利技術采用固體狀態下輻照預處理木質纖維素生物質，無需外加能源、能耗低，處理后木質纖維素緊密結構被破壞，有助于后續的分級分離。(2)本專利技術采用加入低沸點四氫呋喃或者高沸點γ-內戊酯反應，不需要添加任何酸、堿和乙醇，通過溶劑回收或加入飽和NaCl溶液即可實現分相沉淀，沒有“三廢”排放。(3)本專利技術所得纖維素、半纖維素和木質素組分得率和純度較高。附圖說明圖1輻照預處理對纖維素、半纖維素和木質素熱解參數的影響(上圖為TG圖；下圖為DTG圖)圖2輻照預處理對蘆葦組織結構和表面形態的影響(A和B分別為輻照預處理前后SEM圖：C和D分別為輻照預處理前后AFM相圖；E和F分別為輻照預處理前后AFM表面形態圖；G為輻照預處理前后表面粗糙度)圖3工藝流程圖。具體實施方式結合以下具體實施例，對本專利技術作進一步說明，以下實施例僅用于說明本專利技術而非用于限定本專利技術的范圍。案例1：將蘆葦放入輻照箱中，在500kGy條件進行輻照。稱取1.0g輻照過的粉碎蘆葦粉至50mL反應釜中，再加入10mL四氫呋喃/水(體積比為4:6)混合溶液，在170℃條件下反應3h。反應結束之后，冷卻，用1倍體積的四氫呋喃/水(體積比為4:6)混合溶液沖洗反應釜中的殘余殘渣，一次過濾，濾餅于105℃干燥2h，稱重得纖維素組分0.56g，經檢測葡萄糖含量為91.7％。回收濾液中四氫呋喃，回收率為91％，可重復利用。二次過濾，濾餅于105℃干燥4h，稱重得木質素組分0.21g，純度82.6％。二次濾液進行冷凍干燥10h，得半纖維素組分0.17g,木糖及其衍生物含量為71.8％。案例2：將稻草秸稈放入輻照箱中，在800kGy條件進行輻照。稱取10g輻照過的稻草秸稈，粉碎，加入至100mL反應釜中，再加入50mLγ-內戊酯/水(體積比為8:2)混合溶液，濃度在170℃條件下反應3h。反應結束之后，冷卻，用1倍體積的γ-內戊酯/水(體積比為8:2)混合溶液，濃度沖洗反應釜中的殘余殘渣，一次過濾，濾餅于105℃干燥3h，稱重得纖維素組分5.8g，經檢測葡萄糖含量為94.7％。往濾液中加入30mL飽和NaCl溶液，分相沉淀木質素，上層為γ-內戊酯，下層為水相。γ-內戊酯回收率為93％，可重復利用。二次過濾，濾餅于105℃干燥4h，稱重得木質素組分2.2g，純度85.1％。二次濾液進行冷凍干燥12h，得半纖維素組分1.8g,木糖及其衍生物含量為74.6％。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種木質纖維素組分分離的綠色工藝，其特征在于，包括以下步驟：(1)木質纖維素切碎后，以固態形式進行輻照預處理，破壞木質纖維素緊密結構；木質纖維素包括農業廢棄秸稈或林業加工廢棄物或生物質原料；(2)輻照預處理后的生物質粉碎后，置入反應釜中，加入四氫呋喃或者高沸點γ?內戊酯反應，溶解木質素和半纖維素，固液質量體積比為1:5～1:10mL/g，反應時間為1～6h，反應溫度為50?180℃；反應完成后，過濾，殘渣為纖維素組分；(3)一次濾液經溶劑回收，或者加入飽和氯化鈉溶液，分相沉淀木質素；二次過濾，殘渣為木質素組分，二次濾液干燥即為半纖維素組分。

【技術特征摘要】
1.一種木質纖維素組分分離的綠色方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)木質纖維素切碎后，以固態形式進行輻照預處理，破壞木質纖維素緊密結構；木質纖維素包括農業廢棄秸稈或林業加工廢棄物或生物質原料；(2)輻照預處理后的生物質粉碎后，置入反應釜中，加入四氫呋喃或者高沸點γ-內戊酯反應，溶解木質素和半纖維素，固液質量體積比為1:5～1:10mL/g，反應時間為1～6h，反應溫度為50-180℃；反應完成后，過濾，殘渣為纖...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉云，
申請(專利權)人：北京化工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11