利用生物质材料提取纤维素和木质素的方法以及利用提取后的残液回收甲酸和糠醛的方法与流程

本发明属于生物质材料利用技术领域，具体涉及利用生物质材料提取纤维素和木质素的方法以及利用提取后的残液回收甲酸和糠醛的方法。

背景技术：

在诸多的生物质原料中，木质纤维素因其来源广泛，生物量大而备受关注。木质纤维素植物是地球上最丰富的可再生有机物质。据统计，植物体每年通过光合作用产生的干物质量达1500-2000亿t，是地球上唯一可超大规模再生的实质性资源。但对于这些天然的木质纤维素原料，目前只有约11%被用于饲料、造纸、建筑和生产农作物产品等方面，剩余的绝大多数木质纤维素原料在自然界中被各种微生物降解转化。这对于人类利用自然资源来说，确实是一个巨大的浪费。

木质纤维素包含纤维素、半纤维素及木质素三种主要成分，是否能高效分离并利用这三种组分关系到木质纤维素的实际应用价值和前途。纤维素、半纤维素及木质素各自都有自身特殊的分子结构，可以用作不同的用途，如果不经分离直接利用往往会互相影响，降低利用价值。

中国专利cn101220566a公开了一种由甲酸用于分离含木质纤维素的生物质的方法，包括下述步骤：将农林废物加入含少量盐酸的甲酸溶液，50-100℃下反应1-10h；分离，固态物料经水洗、干燥，然后50℃下，ph为4.8的缓冲液中用纤维素酶进行水解，获得的液态物料进行甲酸回收，将产生的不溶于水的木质素(甲酸木质素)固液分离获得的木质素经水洗后可用于高值转化，液态物料的主成分为木糖、木寡糖等半纤维素水解得到的还原糖。该专利能够分离出木质纤维素，但是分离方法效率不高，且不能将纤维素和木质素进行有效分离。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种利用生物质材料提取纤维素和木质素的方法以及利用提取后的残液回收甲酸和糠醛的方法，可以同时有效地分离得到纤维素和木质素，且能够对滤液进一步利用，回收甲酸和糠醛，避免浪费，有利于绿色生产。

本发明采用如下技术方案：

利用生物质材料提取纤维素和木质素的方法，包括以下步骤：将生物质材料粉碎后，加入消解液，并在110-130℃、0.2-0.6mpa条件下，反应30-60min，然后过滤，滤渣用质量分数85%以上的甲酸洗涤多次后（过滤时残留有部分木质素在残渣里，用高浓度甲酸洗涤可溶解木质素），再用蒸馏水洗至滤液成中性，得到的滤渣即为纤维素；所得滤液加入蒸馏水稀释后，析出得到木质素（木质素溶解于高浓度甲酸，加水稀释后析出），所加入的蒸馏水的质量为滤液质量的2-5倍，剩余液体记为残液；

其中，所述消解液与生物质材料的重量比为6-10：1；

所述消解液由甲酸、乙酸、硫酸和水混合配制而成。

优选地，所述消解液由甲酸、乙酸、硫酸和水混合配制而成，且所述消解液中，甲酸（hcooh）的质量分数为65-80%，乙酸（ch3cooh）的质量分数为4-10%，硫酸（h2so4）的质量分数为2-5%。

优选地，所述残液经过沉淀和过滤后，通过精馏回收甲酸，精馏回收甲酸的条件为：气压为真空，温度为35-50℃。

优选地，所述残液经过沉淀和过滤后，通过精馏回收糠醛，精馏回收糠醛的条件为：气压为真空，温度为60-68℃。

所述生物质材料包括各类秸秆、玉米芯、棉桃外壳或花生壳等。

本发明的有益效果如下：

本发明通过使用由甲酸、乙酸、硫酸和水混合配制而成的消解液进行生物质材料的消解，仅需30-60min就能够完成消解反应，相对于现有技术长达数个小时的消解过程，消解效率显著提高，且本发明对消解后的固体物质经过滤等处理后可以得到纤维素，而对消解后的液体经稀释后可析出木质素，因此，本发明仅需经过一次消解就可同时得到纤维素和木质素，实用价值更高，此外，本发明消解后的残液可以通过蒸馏回收得到甲酸和糠醛，提高物质利用率。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明。

将各类秸秆、玉米芯、棉桃外壳或花生壳等的生物质材料经粉碎为0.5-2cm大小的颗粒，过筛除尘后加入反应器中，再加入6-10倍于生物质材料重的消解液，在110-130℃、0.2-0.6mpa条件下，反应45min后过滤，滤渣用甲酸洗涤2次后用蒸馏水洗至滤液成中性，得到的滤渣110℃烘干粉碎得纤维素，而所得一次滤液和一次洗液（即纤维素过滤和洗涤后得到的滤液和洗液）加水稀释后，木质素析出，经过滤、洗涤、烘干得到木质素粗品，其中，稀释所用水量为一次滤液和一次洗液总量的2-5倍；

其中，所述消解液由甲酸、乙酸、硫酸和水混合配制而成，且所述消解液中，甲酸的质量分数为65-80%，乙酸的质量分数为4-10%，硫酸的质量分数为2-5%。

上述木质素过滤之后所得滤液以及洗涤木质素过程中得到的洗液共同记为残液，所得残液经过沉淀后，取上清液，然后将所得上清液过滤后取滤液，该滤液记为三次滤液，将所得三次滤液进行精馏，回收甲酸，并得糠醛产品，回收甲酸和糠醛的精馏条件为真空（优选-0.095至-0.098mpa的气压条件），35-50℃得甲酸，60-68℃得糠醛；

以上所制备得到的纤维素含量达到98%以上，木质素粗品含量95%，甲酸含量85%，回收率95%，糠醛含量99%，收率达到6%以上。

本发明对于不同种类的生物质材料，在采用不同浓度的消解液、温度和时间条件下，所得到的纤维素、木质素等含量统计如下表1：

表1不同消解条件的产物含量统计

从表1可以看出，无论对何种生物质材料，在本发明的消解液和消解温度条件下，均能够在不到1h的时间里完成消解过程，且经过简单的过滤洗涤即可得到纤维素和木质素；所得残液通过真空精馏可以回收得到甲酸和糠醛，提高物质利用率。

最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

技术特征：

1.利用生物质材料提取纤维素和木质素的方法，其特征在于，包括以下步骤：将生物质材料粉碎后，加入消解液，并在110-130℃、0.2-0.6mpa条件下，反应30-60min，然后过滤，滤渣用甲酸洗涤多次后，再用蒸馏水洗至滤液成中性，得到的滤渣即为纤维素；所得滤液加入蒸馏水稀释后，析出得到木质素，所加入的蒸馏水的质量为滤液质量的2-5倍，剩余液体记为残液；

其中，所述消解液与生物质材料的重量比为6-10：1；

所述消解液由甲酸、乙酸、硫酸和水混合配制而成。

2.根据权利要求1所述的利用生物质材料提取纤维素和木质素的方法，其特征在于，所述消解液由甲酸、乙酸、硫酸和水混合配制而成，且所述消解液中，甲酸的质量分数为65-80%，乙酸的质量分数为4-10%，硫酸的质量分数为2-5%。

3.利用权利要求1所述的残液回收甲酸的方法，其特征在于，所述残液经过沉淀和过滤后，通过精馏回收甲酸，精馏回收甲酸的条件为：气压为真空，温度为35-50℃。

4.利用权利要求1所述的残液回收糠醛的方法，其特征在于，所述残液经过沉淀和过滤后，通过精馏回收糠醛，精馏回收糠醛的条件为：气压为真空，温度为60-68℃。

技术总结
本发明提供一种利用生物质材料提取纤维素和木质素的方法以及利用提取后的残液回收甲酸和糠醛的方法，包括以下步骤：将生物质材料粉碎后，加入消解液，并在110‑130℃、0.2‑0.6MPa条件下，反应30‑60min，然后过滤，滤渣用甲酸洗涤多次后，再用蒸馏水洗至滤液成中性，得到的滤渣即为纤维素；所得滤液加入蒸馏水稀释后，析出得到木质素，所加入的蒸馏水的质量为滤液质量的2‑5倍，剩余液体记为残液；其中，所述消解液与生物质材料的重量比为6‑10：1；所述消解液由甲酸、乙酸、硫酸和水混合配制而成。本发明可以同时有效地分离得到纤维素和木质素，且能够对滤液进一步利用，回收甲酸和糠醛，避免浪费，有利于绿色生产。

技术研发人员：陈玮;张乾霖;邢燕燕;李晓辉;周星奎;叶小好;陈晓磊;魏丽丽;潘冬
受保护的技术使用者：宏业生物科技股份有限公司
技术研发日：2019.12.31
技术公布日：2020.04.10