一种将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺 |
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| 申请号 | CN201710155293.4 | 申请日 | 2017-03-16 | 公开(公告)号 | CN106755612A | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | 南开大学; 喀什大学; | 发明人 | 鞠美庭; 李维尊; 候其东; 楚春礼; 木合塔尔·吐尔洪; 王晶; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供的将木质 纤维 素类 生物 质 水 解 成糖的工艺，通过将 粉碎 后的生物质加入 酸溶液 进行水解，进而通过 碳 材料 吸附 后在水中进行水解反应，可获得糖溶液。本发明的优点和有益效果是：通过两步反应将 纤维素 高效地转 化成 单糖产品，反应条件相对温和，催化剂的制备过程简单便捷，碳基固体酸催化剂和 盐酸 都可以多次循环使用，能耗低，污染小，具有大规模工业应用的潜 力 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺，其步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺技术领域背景技术[0002] 随着石化资源的逐步耗竭，以此为基础建立起来的现代工业失去了最重要的能源和原材料。为实现可持续发展，各国政府和科学工作者都在努力寻找可以替代石化资源的可再生资源和能源。在种类繁多的备选资源中，生物质是一类很有潜力的可再生资源。一方面生物质来源丰富且可以源源不断地再生，在工业化之前的长期历史进程中一直是主要的材料和能源。另一方面，生物质的利用是碳中性的，无论是将生物质用作能源、材料和化学品都不会产生额外的碳排放，从而有助于缓解碳排放所导致的全球气候变化。另外，当前的农业生产方式积累了大量的秸秆类固体废弃物，造成了严重的环境问题。因此，开发利用生物质资源是多方面因素驱动的必然选择。参照石油炼制的思路，可以建立生物炼制的基本框架和路径，即以生物质为基本材料，通过水解、热裂解等技术将其转化成一些化学中间体，进而利用这些化学中间体生产能源、材料和精细化学品。 [0003] 在木质纤维素类生物质中含量最高的组分是葡萄糖，因此生物炼制技术和工艺也是以葡萄糖为中心开展的。以葡萄糖为原料，多种多样的燃料、精细化学品和材料都已经被发掘出来。然而，将生物质水解成葡萄糖却是限制这些高附加值产品生产的技术瓶颈。在木质纤维素类生物质中，纤维素的结晶结构和木质素的保护作用是抑制纤维素水解成葡萄糖的主要障碍。葡萄糖的生产方法主要有两类，一类是利用酶将生物质水解，另一类是利用酸催化生物质水解。酶水解生物质主要受限于酶的成本、水解效率低以及复杂的预处理方法。最常见的酸催化生物质水解方法主要是利用浓硫酸和浓盐酸。浓硫酸和浓盐酸几乎可以把生物质中的糖完全释放出来，但是后续的产品分离和酸的回收利用仍然制约着这些技术的应用。许多研究者也尝试使用稀硫酸和稀盐酸催化生物质的水解，但只有特殊的反应条件，如高温和极短的反应时间，才能获得较高产率的糖。这样的反应条件在实际生产中是难以掌控的，因而其经济技术可行性也不高。此外，利用离子液体对生物质的水解能力，一些研究者开发出了在离子液体体系中利用液体酸和固体酸催化生物质水解的方法。这些方法同样受限于反应条件和反应效率，同时还受限于离子液体的成本。 发明内容[0004] 本发明的目的在于解决生物质水解产糖工艺过程效率低、经济成本高、反应条件难以控制、产品分离纯化困难、催化剂和溶剂回收利用困难且容易造成环境污染等不足，提供一种绿色高效、成本较低、操作方便且适合大规模生产应用的将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺。 [0005] 本发明提供的将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺，其特征在于包括以下步骤：(1) 对木质纤维素类生物质进行粉碎至1cm以下； (2) 将1-100质量份的生物质加入到10000质量份一定浓度的酸溶液中，搅拌反应一段时间，反应后过滤未溶解的生物质，得到溶解多聚葡萄糖的酸溶液； (3) 向溶解有多聚葡糖的酸溶液中加入一定质量的酸性碳材料，搅拌条件下使多聚葡萄糖吸附在酸性碳材料上；吸附完成后过滤将酸溶液和吸附有多聚葡糖糖的酸性碳材料分离，酸溶液可以重复用于生物质的溶解；所加的酸性碳材料与多聚葡糖糖溶液的比例和吸附时间取决于溶解酸性碳材料的吸附容量； (4) 向吸附有多聚葡糖的酸性碳材料加入一定量的水，在密闭条件下升温搅拌进行水解反应，反应结束后固液分离，分别回收酸性碳材料和糖溶液。 [0006] 其中，所述酸溶液是硫酸或盐酸，硫酸的质量分数为10-72%，盐酸的质量分数为5-37%。 [0007] 其中，所述的酸性碳材料包括含有磺酸基的碳材料和羟基、羧酸等弱酸性位点的碳材料。 [0008] 其中，将生物炭、活性炭、生物炭、焦质炭、石墨、石墨烯和氧化石墨烯以及任何可以用于该用途的合成碳材料，经过硫酸、发烟硫酸、氯磺酸、硝酸、次氯酸、高氯酸、高锰酸钾或者氢氧化钾处理，或者在一定条件下进行其他活化处理可以获得的酸性碳材料。 [0009] 本发明的优点和有益效果是：通过两步水解反应将纤维素高效地转化成单糖产品，反应条件相对温和，催化剂的制备过程简单便捷，碳基固体酸催化剂和盐酸来源丰富、成本低且都可以多次循环使用，工艺能耗低污染小，具有大规模工业应用的潜力和前景。 具体实施方式[0010] 本发明通过以下实施例进一步详述，但本实施例所叙述的技术内容是说明性的，而不是限定性的，不应依此来局限本发明的保护范围。 [0011] 实施例1：一种将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺，包括以下步骤： (1)将玉米秸秆粉碎至1cm以下； (2) 将1质量份的生物质加入到1000质量份的20 wt%的盐酸中，室温搅拌反应1 h，反应后过滤未溶解的生物质，得到溶解多聚葡萄糖的酸溶液； (3) 向溶解有多聚葡糖的酸溶液中加入20质量份的酸性碳材料，搅拌2 h使多聚葡萄糖吸附在酸性碳材料上，吸附完成后过滤将酸溶液和吸附有多聚葡糖糖的酸性碳材料分离，所加的酸性碳材料为经过pH=4 的次氯酸钠溶液处理2 h的石油焦质炭，比表面积2043 m2/g， 酸密度为1.9 mmol/g； (4) 向吸附有多聚葡糖糖的酸性碳材料加入一定量的水，在密闭条件下升温到150°C搅拌反应30 min，反应结束后过滤分别回收酸性碳材料和糖溶液。葡萄糖的产率为68%。 [0012] 实施例2：一种将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺，包括以下步骤： (1) 将2质量份的微晶纤维素加入到1000质量份的15 wt%的盐酸中，室温搅拌反应45 min，反应后过滤未溶解的生物质，得到溶解多聚葡萄糖的酸溶液； (2) 向溶解有多聚葡糖的酸溶液中加入30质量份的酸性碳材料，搅拌2 h使多聚葡萄糖吸附在酸性碳材料上，吸附完成后过滤将酸溶液和吸附有多聚葡糖的酸性碳材料分离； 所加的酸性碳材料为经过pH=4 的次氯酸钠溶液24 h处理的石油焦质炭，比表面积2015 m2/g， 酸密度为2.2 mmol/g； (3) 向吸附有多聚葡糖糖的酸性碳材料加入一定量的水，在密闭条件下升温到150°C搅拌反应30 min，反应结束后过滤分别回收酸性碳材料和糖溶液。葡萄糖的产率为88%。 [0013] 实施例3：一种将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺，包括以下步骤： (1) 将玉米秸秆粉碎至1cm以下； (2) 将1质量份的生物质加入到1000质量份37 wt%的盐酸中，室温搅拌反应1 h，反应后过滤未溶解的生物质，得到溶解多聚葡萄糖的酸溶液； (3) 向溶解有多聚葡糖的酸溶液中加入20质量份的酸性碳材料，搅拌3 h使多聚葡萄糖吸附在酸性碳材料上，吸附完成后过滤将酸溶液和吸附有多聚葡糖的酸性碳材料分离，所加的酸性碳材料为经过pH=4 的次氯酸钠溶液处理24 h的活性炭，比表面积1244 m2/g， 酸密度为1.8 mmol/g； (4) 向吸附有多聚葡糖糖的酸性碳材料加入一定量的水，在密闭条件下升温到180°C搅拌反应3 h，反应结束后过滤分别回收酸性碳材料和糖溶液。葡萄糖的产率为75%。 |
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