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一步法从木质 纤维原料中分离 纤维素的方法

阅读：284发布：2020-05-08

专利汇可以提供一步法从木质纤维原料中分离纤维素的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种一步法从木质纤维原料中分离纤维素的方法，包括如下步骤：(1)将收集的木质纤维原料机械粉碎成颗粒；(2)将步骤(1)原料放入反应器中，按一定的固液比加入过氧乙酸和马来酸混合水溶液；(3)设定容器反应时间和温度，进行反应；(4)反应结束后，分离得到纤维素固体，并将所得滤液回收。此方法可以一步去除木质素和半纤维素，分离工艺简单，生产成本低，反应条件温和，耗时短，且原料适用性广。因此本方法具有较强的实用性，并且易于推广和产业化。，下面是一步法从木质纤维原料中分离纤维素的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种一步法从木质纤维原料中分离纤维素的方法，包括如下步骤：
(1)将收集的木质纤维原料机械粉碎成颗粒；
(2)将步骤(1)原料放入反应器中，按一定的固液比加入过氧乙酸和马来酸混合水溶液；
(3)设定容器反应时间和温度，进行反应；
(4)反应结束后，分离得到纤维素固体，并将所得滤液回收。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中所述的木质纤维原料为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、桦木、杨木中至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中的混合水溶液中，过氧乙酸浓度为
0.5wt％-2.5wt％，马来酸浓度为1wt％-5wt％，固液比(wt/vol)为1:10-1:40。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中反应温度为100-140℃，反应时间为10-
90min。

说明书全文

一步法从木质纤维原料中分离 纤维素的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种从木质纤维原料中一步分离纤维素的方法，属于木质纤维原料化学预处理方法。

背景技术

[0002] 木质纤维生物质是植物光合作用产生的，是一种含量丰富、低成本的可再生资源。地球上每年光合作用产生的木质纤维生物质产量达到1×1012吨，是世界能源消耗量的20倍左右。把木质纤维生物质转化为生物燃料或生物基材料将会减少社会对石油等不可再生资源的依赖，同时可以减少温室气体的净排放量。木质纤维生物质的主要组成成分是纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素占木质纤维生物质干重的30-35％，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。纤维素作为一种资源丰富、价格低廉、未被充分利用的原材料，可以应用于造纸业、化学品和其它工业产品中。然而在木质纤维生物质中纤维素被木质素和半纤维素共同紧密包裹，形成致密的网状结构。这种网状结构限制了木质纤维生物质的综合利用。一般需要采取物理、化学和生物等预处理方法，打破木质纤维生物质中的网状结构，达到去除木质素和半纤维素屏障富集纤维素组分的目的。

[0003] 中国专利CN102212582 A公布了一种用生物法从秸秆中制备纤维素的方法，该方法用漆酶、过氧化氢酶和过氧化氢组成的复合生物催化剂预处理秸秆，在反应温度60-80℃，反应时间1-3h的条件下，可以得到纯度为99％的纤维素。该方法具有环境污染小、清洁等优点，但是需酶量大成本高，反应耗时较长。

[0004] 中国专利CN 102251424 A公布了一种一步提取纤维素的方法，该方法将植物秸秆分散在有机溶剂(丙酮、甲醇、甲苯、乙醇)和水的混合溶液中，加入无机碱和氧化剂，在压力为1-5MPa，温度80-150℃条件下反应10-40min，固体产率为44％。此方法生产工艺简单，效率高，但生产过程中使用有毒有机溶剂对环境造成危害，且反应压力高，条件苛刻，对设备要求高，不利于实际生产。

[0005] 中国专利CN102995475 A公布了一种甘蔗渣纤维素的提取方法，以甘蔗渣为原料，首先用氢氧化钠/氧初级脱木质素，其次用氢氧化钠/过氧化氢/醋酸钴深度脱木质素，最后使用氢氧化钾去除半纤维素，即得甘蔗渣纤维素。该方法反应条件温和，且产品纤维素纯度为99.9％，但是过程繁琐，生产投入高，不利于大规模生产。

[0006] 中国专利CN 105507051 A公布了一种高效分离木质纤维原料的方法，以木质纤维类生物质为原料，向其中加入70％-90％甲酸水溶液和0.2％-10wt％氧化剂(过氧化氢、过氧乙酸、绿氧、氧气、高锰酸钾)，在温度为105-150℃、压力为0-0.6MPa的条件下反应10min-3h，冷却后过滤即得粗纤维固体，得率为83％-90％，将液体进行减压蒸馏回收甲酸，再向剩余的液体中加去离子水，混合后离心即得甲酸木质素和富含半纤维素糖的液体。该工艺条件相对温和，易于操作，可以提高各组分的利用率，但是高浓度的甲酸腐蚀性强，容易对设备造成损害，不利于工业化应用，同时在高温的条件下甲酸形成的蒸汽与空气混合易发生爆炸，存在安全隐患。

[0007] 因此，开发一种处理工艺简单、环境友好、生产成本低且原料适用性广的纤维素分离方法，对木质纤维生物质资源化利用十分重要。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种一步法从木质纤维生物质原料中分离纤维素的方法，该方法具有高效、反应条件温和、环境友好、原料适用性广，提取工艺简单等优点。

[0009] 本发明所提供的纤维素分离方法，包括如下步骤：

[0010] (1)将收集的木质纤维原料机械粉碎成颗粒。

[0011] (2)将步骤(1)原料放入反应器中，按一定的固液比加入过氧乙酸和马来酸混合水溶液。

[0012] (3)设定容器反应时间和温度，进行反应。

[0013] (4)反应结束后，分离得到纤维素固体，并将所得滤液回收。

[0014] 具体情况下，上述步骤(1)中木质纤维原料可为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、桦木、杨木中至少一种。破碎后过40目筛，从而便于后续反应。

[0015] 优选情况下，上述步骤(2)中的混合水溶液中，过氧乙酸浓度为0.5wt％-2.5wt％，马来酸浓度为1wt％-5wt％，固液比(wt/vol)为1:10-1:40(固体木质纤维原料质量与混合水溶液体积比)。。

[0016] 优选情况下，上述步骤(3)中反应温度为100-140℃，反应时间为10-90min。优选在密闭反应容器中反应。

[0017] 本发明的有益效果为：

[0018] 本发明中使用过氧乙酸复合马来酸对木质纤维原料进行预处理分离纤维素。马来酸与传统的无机酸(硫酸)相比具有酸性较弱，绿色可再生等优点，对半纤维素具有良好的催化活性且降解半纤维素时选择性高，可以防止葡萄糖、木糖进一步降解成糠醛等抑制物，对回收后续滤液中木糖等产物有益。而过氧乙酸作为一种氧化剂，可以有效脱除木质纤维原料中的木质素，同时还能起到漂白的作用，提高纤维素的品质。本方法使用的过氧乙酸和马来酸浓度较低，不会产生环境污染，避免了在传统的纤维素分离方法中高浓度酸碱的使用，具有环境友好的特点。此方法可以一步去除木质素和半纤维素，分离工艺简单，生产成本低，反应条件温和，耗时短，且原料适用性广。因此本方法具有较强的实用性，并且易于推广和产业化。附图说明

[0019] 图1是本发明实例1所得产物的傅里叶变换红外光谱图。

[0020] 图2是实例1所得产物的扫描电镜图。

具体实施方式

[0021] 下面将结合农作物秸秆、杨木和桦木为原料对本发明进一步阐述，所述试验方法无特殊说明，均为常规方法，其中纤维素、半纤维素和木质素含量根据NREL/TP-510-42618中描述的方法测定。

[0022] 实例1

[0023] 向反应容器中加入4g玉米秸秆，160mL1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持60min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为玉米纤维素，纤维素得率为85％，木质素去除率为91％，半纤维素去除率为90％。

[0024] 如图1所示，实例1中所得玉米纤维素显示了纤维素的特征吸收峰：898cm-1、1057cm-1、1109cm-1、1600cm-1，而木质素特征峰：1515cm-1、1606cm-1、833cm-1和半纤维素特征峰：1248cm-1均没有出现。说明本发明方法去除了大部分的木质素和半纤维素，得到的纤维素固体纯度较高。由图2可知，所得纤维素呈纤维束状，且表面光滑蓬松，说明该方法可以脱除木质素和半纤维素。

[0025] 实例2

[0026] 向反应容器中加入8g玉米秸秆，160mL 1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持60min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为玉米纤维素，纤维素得率为87％，木质素去除率为88％，半纤维素去除率为88％。

[0027] 实例3

[0028] 向反应容器中加入16g玉米秸秆，160mL 1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持60min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为玉米纤维素，纤维素得率为86％，木质素去除率为76％，半纤维素去除率为86％。

[0029] 实例4

[0030] 向反应容器中加入4g玉米秸秆，160mL1.5wt％过氧乙酸和5wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为100℃并保持30min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为玉米纤维素，纤维素得率为86％，木质素去除率为69％，半纤维素去除率为58％。

[0031] 实例5

[0032] 向反应容器中加入4g玉米秸秆，160mL 1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为140℃并保持30min,待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为玉米纤维素，纤维素得率为80％，木质素去除率为91％，半纤维素去除率为93％。

[0033] 实例6

[0034] 向反应容器中加入4g玉米秸秆，160mL 0.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持30min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为玉米纤维素，纤维素得率为87％，木质素去除率为65％，半纤维素去除率为85％。

[0035] 实例7

[0036] 向反应容器中加入4g玉米秸秆，160mL 1.5wt％过氧乙酸和5wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持30min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为玉米纤维素，纤维素得率为86％，木质素去除率为92％，半纤维素去除率为86％。

[0037] 实例8

[0038] 向反应容器中加入4g小麦秸秆，160mL 1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持90min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为小麦纤维素，纤维素得率为83％，木质素去除率为86％，半纤维素去除率为92％。

[0039] 实例9

[0040] 向反应容器中加入4g水稻秸秆，160mL 1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持60min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为水稻纤维素，纤维素得率为76％，木质素去除率为82％，半纤维素去除率为93％。

[0041] 实例10

[0042] 向反应容器中加入4g桦木粉，160mL 1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持90min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为桦木纤维素，纤维素得率为94％，木质素去除率为94％，半纤维素去除率为86％。

[0043] 实例11

[0044] 向反应容器中加入4g杨木粉，160mL 1.5wt％过氧乙酸和3wt％马来酸混合水溶液，设定容器反应温度为130℃并保持90min，待反应结束后，冷却至室温进行过滤，得到固体即为杨木纤维素，纤维素得率为94％，木质素去除率为95％，半纤维素去除率为87％。

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