一种植物木质纤维素的综合利用工艺

摘要

本发明公开了一种植物木质纤维素的综合利用工艺，包括综合处理、制备低聚木糖、制备木质素、制备纤维乙醇等工艺，本发明的有益效果如下：利用高压瞬时汽爆技术解开生物质高分子的天然紧密结构，有利于木质素、纤维素、纤维素的分离提取，减少用于预处理的酸、碱、热、催化剂等能源、物料的消耗，降低污染物的排放，减轻环境的污染。其次，低聚木糖与木质素联产，实现了能原的综合利用，特别是汽爆技术的应用，使两种产品的质量大幅度提升，收率大大提高；糖渣生产燃料乙醇和木质素可以不分先后。

说明书

技术领域

本发明涉及一种植物木质纤维素的综合利用工艺，尤其涉及以玉米芯、秸秆、稻草等植物木质纤维素为原料，采用高压瞬时蒸汽爆破技术进行原料预处理，利用复合酶技术制备高品质功能糖(木糖、低聚木糖)，剩余废渣先生产高分子材料(酶解木质素)，再进一步生产纤维素乙醇，废液用于生产沼气发电回用于生产，最终实现资源的高附加值的综合利用工艺。

背景技术

当前，能源问题已是当今世界各国在发展过程中所面临的主要问题，已成为制约世界经济的发展速度和影响地区稳定的主要因素之一。在我国，随着经济的快速发展，能源资源供需的结构性矛盾进一步凸现出来，能源资源的短缺将成为制约我国经济升级和跨越式发展的主要因素之一；同时，由于产业结构的不合理和相关基础设施建设落后，大量工业垃圾和生活垃圾引发的城市和农村生产和生活环境恶化的问题也进一步显现出来。因此，在能源资源严重短缺和生态环境问题日趋突出的双重背景下，生物质原料的清洁型综合利用产业发展面临机遇和挑战。

我国是一个农业大国，又是石油资源不够丰富的国家。把我国丰富的生物质资源充分并高效利用是我们实施可持续发展战略的重要保证。然而随着经济的迅猛发展，生态环境破坏日为严重，同时人类的环保意识不断提升，清洁型的高质转化生物质产业彰显优势。但目前，在我国，对于生物质原料的处理存在利用率低、未综合利用、污染大等缺陷，急需一种能够实现资源的高附加值的综合利用的工艺。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种植物木质纤维素的综合利用工艺，其对生物质原料的利用率高，能够实现综合利用，且污染小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是利用高压瞬时蒸汽爆破技术预处理原料，用酶解技术处理爆破物制备高纯度低聚木糖、纤维乙醇和木质素，其具体内容如下：

(一)处理

(1)蒸汽爆破：将生物质原料粉碎至10目以下，进行蒸汽爆破，爆破条件为：爆破压力1.5Mpa～3.5Mpa，爆破时间为30s～120s；

(2)调浆：汽爆后，对所得到的物料按固(干基)液(水)比1∶(5～8)进行配料，调节pH为3.0～7.0，搅拌均匀，为酶解做准备；

(3)酶解：向上述调浆完毕的物料中加入10IU/g～20IU/g木聚糖酶，进行酶解得到粗糖液，酶解温度30℃～70℃；酶解时间4～20小时，酶解后，低聚木糖纯度达到80％以上；

(4)渣液分离：酶解结束后，进行渣液分离，得到糖液和糖渣，其中，糖液中，糖液固形物占总质量的2％～8％；糖渣中含水量为60％～80％；糖液用于制备低聚木糖，糖渣用于制备木质素和纤维乙醇，制备后的废液、废渣可用于沼气发电。

所述制备低聚木糖的步骤如下：

(二)制备低聚木糖

(1)净化：利用活性炭对糖液进行脱色，利用离子交换树脂进行吸附以除去糖液中的盐分等杂质，使物料得到净化；脱色、吸附后，透光在70％以上，调节pH至3～7；

(2)纳滤：上述净化好的糖液用现有纳滤设备进行提纯，纳滤条件：温度20～40℃，糖液浓度15％～30％，pH 3～7；纳滤后，低聚木糖的含量达到95％以上；

(3)浓缩：将纳滤后的糖液浓缩，得到低聚木糖成品。

所述制备木质素的步骤如下：

(三)制备木质素

(1)配料：将糖渣和工艺水按照固液比1∶(5～8)进行配料，加入氢氧化钠调节碱度为1％～8％，搅拌均匀；

(2)提取：在搅拌的条件下将上述配好的物料升温至50℃～100℃，保温提取1～5小时，使木质素充分溶出；

(3)渣液分离：上述提取结束后，进行渣液分离，得到粗木质素溶液和木质素渣，木质素渣的含水量为60％～80％，用于制备纤维乙醇；

(4)沉降：将粗木质素溶液升温至50℃～100℃，加入盐酸调节其pH为2～7，使之充分沉降；

(5)分离洗涤：上述沉降好的木质素进行分离，并用水冲洗，得到高纯木质素湿料，其含水量为60％～80％；

(6)气流干燥：木质素湿料用气流干燥机干燥，即得木质素。

所述制备纤维乙醇的步骤如下：

(四)制备纤维乙醇

(1)配料：将糖渣或木质素渣，和工艺水按照固液比1∶(5～9)进行配料，加入酵母1Kg/T-10Kg/T；

(2)酒发酵：对上述配制好的物料进行发酵，如下：

发酵初期：活化酵母时温度为36±1℃，时间为30min；出芽率％：≥18％；死亡率％：＜1％；酸度(滴定度)：3.5～4.0％；

发酵末期：外观糖：≤0.5BX；总酸：≤0.3％；挥发酸：≤0.1g/100ml(稀酒样中)；残总糖：≤0.8g/100ml(蒽酮法)；通风量：70～120m3/h间歇通风；

(3)蒸馏：发酵后蒸馏，即得到纤维乙醇，参数如下：

粗塔：进汽压力0.04～0.06MPa；醪液入塔温度：65～70℃；塔底温度110～112℃；塔顶温度95±1℃；

精塔：进汽压力0.03～0.07MPa；塔底温度110～112℃；塔中温83～87℃；塔顶温80～82℃。

所述步骤(一)(1)中，生物质原料为玉米芯、秸秆或稻草等主要成分为植物木质纤维素的原料。

所述步骤(二)(3)中的浓缩为：生产低聚木糖浆时，浓缩到70％以上，即得；生产糖粉时，浓缩到30％～35％，然后喷雾干燥，即得；

浓缩条件如下：

压力：一效≥0.02Mpa；二效≥0.04Mpa；三效≥0.07Mpa；

温度：一效≥90℃；二效≥70℃；三效≥50℃；

干燥条件为：塔内温度：80-100℃；负压0.5-10Pa。

所述步骤(三)(6)中，气流干燥的参数如下：进风温度100℃～150℃，出风温度50℃～80℃。

以上所涉及的固液比均为质量比，所涉及的含水量、百分浓度等均为质量百分比。

本发明生产的产品主要指标为：

低聚木糖含量50％～90％，透光70％～99％(420～430nm，1～5cm比色皿)，pH 3～7；

木质素分子量500～3000Da，残糖0.5％～8％，收率10％～30％，灰分0.1％～8％。

本发明的有益效果如下：利用高压瞬时汽爆技术解开生物质高分子的天然紧密结构，有利于木质素、纤维素、纤维素的分离提取，减少用于预处理的酸、碱、热、催化剂等能源、物料的消耗，降低污染物的排放，减轻环境的污染。其次，低聚木糖与木质素联产，实现了能原的综合利用，特别是汽爆技术的应用，使两种产品的质量大幅度提升，收率大大提高；糖渣生产燃料乙醇和木质素可以不分先后。

本发明采用高压瞬时蒸汽爆破技术对生物质原料进行预处理，替代了原高温、高压、酸、碱、催化剂等预处理方式使原天然结构充分解开，因未经过长时间高温、高压处理也未加入其它杂质，所以减轻了在后期提取、净化等过程的压力。不但减少了原辅材料的消耗，减少了污染物的排放，而且因无其它预处理杂质的加入和原天然结构充分解开，产品的质量进一步提升，收率进一步提高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：综合利用植物木质纤维素生产低聚木糖、木质素和纤维乙醇，步骤如下：

(一)制备低聚木糖

(1)蒸汽爆破：将生物质原料(玉米芯)粉碎至20目；爆破条件为：爆破压力2.0Mpa，爆破时间为60s；

(2)调浆：按固液比1∶6进行配料，调节pH为3.5，搅拌均匀，为酶解做准备；

(3)酶解：向调浆完毕的物料中加入20IU/g的木聚糖酶，进行酶解得到粗糖液，酶解温度50℃，酶解时间8小时；低聚木糖含量82％；

(4)渣液分离：酶解结束后进行渣液分离，得到糖液和糖渣，糖液用于制备低聚木糖，糖渣用于制备木质素和纤维乙醇，其中，糖液固形物为5％；糖渣含水量为73％。

(5)净化：利用活性炭对糖液进行脱色，利用离子交换树脂进行吸附除去糖液中的盐分等杂质，使物料得到净化；脱色、净化后，透光在80％以上，调节pH至4.0；

(6)纳滤：上述净化好的糖液用纳滤设备进行提纯，使低聚木糖的含量达到97％以上；纳滤条件为：温度35℃；糖液浓度18％；pH4.0；

(7)浓缩：固形物浓缩到35％；温度：一效≥90℃；二效≥70℃；三效≥50℃；

(8)喷雾干燥：将浓缩后的低聚木糖喷雾干燥，即得到低聚木糖糖粉；喷雾干燥条件：塔内温度：90～95℃；负压3Pa。

(二)制备木质素

(1)配料：将糖渣和工艺水按照固液比1∶7进行配料，用氢氧化钠调节碱度1％，搅拌均匀；

(2)提取：在搅拌的条件下将上述配好的物料升温至75℃，保温提取3小时，使木质素充分溶出；

(3)渣液分离：上述提取结束后，进行渣液分离，得到粗木质素溶液和木质素渣，其中，木质素渣含水量为60％；

(4)沉降：将粗木质素溶液升温至70℃，加入盐酸调节其pH为5，使之充分沉降，为离心洗涤做准备；

(5)离心洗涤：上述沉降好的木质素进行分离，并用水冲洗，得到高纯木质素湿料，含水量75％。

(6)气流干燥：木质素湿料用气流干燥机干燥，即得木质素产品，进风温度120℃～125℃，出风温度60℃～70℃。

(三)制备纤维乙醇

(1)配料：将糖渣和工艺水按照固液比1∶7进行配料，加入酵母2Kg/T袋和纤维素酶液10IU/g；

(2)酒发酵：对上述配制好的物料进行发酵，如下：

发酵初期：活化酵母时温度为36±1℃，时间为30min；出芽率％：≥18％；死亡率％：＜1％；酸度(滴定度)：3.5～4.0％；

发酵末期：外观糖：≤0.5BX；总酸：≤0.3％；挥发酸：≤0.1g/100ml(稀酒样中)；残总糖：≤0.8g/100ml(蒽酮法)；通风量：70～120m3/h间歇通风；

(3)蒸馏：发酵后蒸馏，即得到纤维乙醇，参数如下：

粗塔：进汽压力0.04～0.06MPa；醪液入塔温度：69℃；塔底温度111.4℃；塔顶温度95±1℃；

精塔：进汽压力0.03～0.07MPa；塔底温度111.5℃；塔中温85℃；塔顶温81.5℃。

本发明利用上述方法生产的高纯度低聚木糖及木质素主要指标为：

低聚木糖含量96.5％，透光80％，pH 4.2；

木质素分子量1600，残糖2.0％，收率17％，灰分2.0％；

乙醇指标符合国标。

实施例2：综合利用植物木质纤维素生产低聚木糖、木质素和纤维乙醇，步骤如下：

(一)制备低聚木糖

(1)蒸汽爆破：将生物质原料(秸秆)粉碎至20目；爆破条件为：爆破压力2.5Mpa，爆破时间为90s；

(2)调浆：按固液比1∶7进行配料，调节pH为3.8，搅拌均匀，为酶解做准备；

(3)酶解：向调浆完毕的物料中加入20IU/g木聚糖酶，进行酶解得到粗糖液；酶解温度50℃；酶解时间12小时；酶解后，低聚木糖含量87％；

(4)渣液分离：酶解结束后进行渣液分离，得到糖液和糖渣，糖液用于制备低聚木糖，糖渣用于制备木质素和纤维乙醇；其中，糖液固形物为5.6％；糖渣含水量为72.3％；

(5)净化：利用活性炭对糖液进行脱色，利用离子交换树脂进行吸附除去糖液中的盐分等杂质，使物料得到净化；脱色、净化后，透光在80％以上，调节pH至4.3；

(6)纳滤：上述净化好的糖液用纳滤设备进行提纯，使低聚木糖的含量达到97％以上；纳滤条件：温度35℃；糖液浓度17.8％；pH4.25；

(7)浓缩：固形物浓缩到35％；浓缩条件：压力：一效≥0.02Mpa；二效≥0.04Mpa；三效≥0.07Mpa；温度：一效≥90℃；二效≥70℃；三效≥50℃；

(8)喷雾干燥：将浓缩后的低聚木糖喷雾干燥，即得到低聚木糖糖粉；喷雾干燥条件：塔内温度：90～95℃；负压3Pa。

(二)制备木质素

(1)配料：将糖渣和工艺水按照固液比1∶8进行配料，用氢氧化钠调节碱度为3％，搅拌均匀；

(2)提取：在搅拌的条件下将配好的物料升温至75℃，保温提取3小时，使木质素充分溶出；

(3渣液分离：提取结束后进行渣液分离，得到粗木质素溶液和木质素渣，其中，木质素渣含水量为60％；

(4)沉降：将粗木质素溶液升温至70℃，加入盐酸调节其pH为5，使之充分沉降，为离心洗涤做准备；

(5)离心洗涤：上述沉降好的木质素进行分离，并用水冲洗，得到高纯木质素湿料，含水量74％；

(6)气流干燥：木质素湿料用气流干燥机干燥，即得到木质素产品，其中，进风温度120℃～125℃，出风温度60℃～70℃。

(三)制备纤维乙醇

(1)配料：将糖渣和工艺水按照固液比1∶7进行配料，加入酵母4Kg/T和纤维素酶液12IU/g；

(2)酒发酵：对上述配制好的物料进行发酵，如下：

发酵初期：活化酵母时温度为36±1℃，时间为30min；出芽率％：≥18％；死亡率％：＜1％；酸度(滴定度)：3.7～4.0％；

发酵末期：外观糖：≤0.5BX；总酸：≤0.3％；挥发酸：≤0.1g/100ml(稀酒样中)；残总糖：≤0.8g/100ml(蒽酮法)；通风量：70～120m³/h间歇通风；

(3)蒸馏：发酵后蒸馏，即得到纤维乙醇，参数如下：

粗塔：进汽压力0.04～0.06MPa；醪液入塔温度：69℃；塔底温度111.4℃；塔顶温度95±1℃；

精塔：进汽压力0.03～0.07MPa；塔底温度111.5℃；塔中温85℃；塔顶温81.5℃。

利用上述方法生产的高纯度低聚木糖及木质素主要指标为：

低聚木糖含量96.7％，透光84％，pH 4.2；

木质素分子量1600，残糖1.8％，收率17％，灰分2.0％；

乙醇指标符合国标。

实施例3：综合利用植物木质纤维素生产低聚木糖、木质素和纤维乙醇，步骤如下：

(一)制备低聚木糖：

(1)蒸汽爆破：将生物质原料(稻草)粉碎至20目，进行汽爆，爆破条件为：爆破压力2.0Mpa，爆破时间为60s；

(2)调浆：按固液比1∶6进行配料，调节pH为3.5，搅拌均匀，为酶解做准备；

(3)酶解：向调浆完毕的物料中加入11IU/g木聚糖酶，进行酶解得到粗糖液；酶解温度50℃；酶解时间8小时；酶解后，低聚木糖含量为89％；

(4)渣液分离：酶解结束后进行渣液分离，得到糖液和糖渣，糖液用于制备低聚木糖，糖渣用于制备木质素和纤维乙醇，其中，糖液固形物为5％；糖渣含水量为73％。

(5)净化：利用活性炭对糖液进行脱色，利用离子交换树脂进行吸附除去粗糖液中的盐分等杂质，使物料得到净化；脱色、净化后，透光在80％以上，调节pH至4.0；

(6)纳滤：上述净化好的糖液用纳滤设备进行提纯，使低聚木糖含量达到97％以上；纳滤条件：温度35℃；糖液浓度18％；pH4.0；

(7)浓缩：固形物浓缩到35％；浓缩条件：压力：一效≥0.02Mpa；二效≥0.04Mpa；三效≥0.07Mpa；温度：一效≥90℃；二效≥70℃；三效≥50℃；

(8)喷雾干燥：将浓缩后的低聚木糖喷雾干燥，即得到低聚木糖糖粉；喷雾干燥条件：塔内温度：90-95℃；负压3Pa。

(二)制备木质素

(1)配料：将糖渣和工艺水按照固液比1∶7进行配料，用氢氧化钠调节碱度为2.8％，搅拌均匀；

(2)提取：在搅拌的条件下将配好的物料升温至75℃，保温提取2小时，使木质素充分溶出；

(3)渣液分离：提取结束后进行渣液分离，得到粗木质素溶液和木质素渣，其中，木质素渣含水量为60％；

(4)沉降：将粗木质素溶液升温至70℃，加入盐酸调节其pH为5，使之充分沉降，为离心洗涤做准备；

(5)离心洗涤：沉降好的木质素进行分离，并用水冲洗，得到高纯木质素湿料，含水量77％。

(6)气流干燥：木质素湿料用气流干燥机干燥，即得到木质素产品，其中，进风温度120℃～125℃，出风温度60℃～70℃。

(三)制备纤维乙醇

(1)配料：将糖渣和工艺水按照固液比1∶7进行配料，酵母按3Kg/T加入，纤维素酶按13IU/g加入；

(2)酒发酵：对上述配制好的物料进行发酵，如下：

发酵初期：活化酵母时温度为36±1℃，时间为30min；出芽率％：≥18％；死亡率％：＜1％；酸度(滴定度)：3.5～4.2％；

发酵末期：外观糖：≤0.5BX；总酸：≤0.3％；挥发酸：≤0.1g/100ml(稀酒样中)；残总糖：≤0.8g/100ml(蒽酮法)；通风量：100m3/h间歇通风；

(3)蒸馏：发酵后蒸馏，即得到纤维乙醇，参数如下：

粗塔：进汽压力0.04～0.06MPa；醪液入塔温度：68℃；塔底温度111.1℃；塔顶温度95±1℃；

精塔：进汽压力0.03～0.07MPa；塔底温度111.5℃；塔中温85℃；塔顶温81.5℃。

利用上述方法生产的高纯度低聚木糖及木质素主要指标为：

低聚木糖含量96.9％，透光89％，pH 4.7；

木质素分子量1600，残糖1.9％，收率17.4％，灰分1.8％；

乙醇指标符合企业标准。