專利名稱：一種水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及再生資源一廢棄植物利用領(lǐng)域，特別是涉及利用各種含纖維素和半纖維素的廢棄植物水解為葡萄糖和木糖的方法。
背景技術(shù)：
目前我國有許多部門都在研發(fā)利用再生資源——特別是廢棄植物——生產(chǎn)燃料乙醇，也有些大企業(yè)在進行試生產(chǎn)，但現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題是廢棄植物中的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖和木糖的工藝成本太高，影響了整個燃料乙醇的生產(chǎn)成本，以致不能大批量投產(chǎn)。現(xiàn)有技術(shù)試驗和試制的方法大都使用稀硫酸水解半纖維素得到木糖，再在含纖維素和木質(zhì)素的余渣中加入纖維素酶，以此來水解纖維素(又稱酶法工藝)，但在目前條件下，用酶法工藝需要十分苛刻的工藝條件，還要購買價格昂貴的纖維素酶制劑，所以生產(chǎn)成本很高。另一種水解纖維素的方法，也是最經(jīng)典的方法，就是用濃硫酸水解纖維素和半纖維素，此法簡單，技術(shù)可靠，但由于葡萄糖和硫酸的分子量相近，無法用擴散滲析器回收硫酸，改用先生產(chǎn)多糖再進行分離，這種方法生產(chǎn)效率很低，因此也不能用于生產(chǎn)。近來又發(fā)展了一種稀酸高溫水解法，但是發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換了的葡萄糖在高溫下又大量分解，所以轉(zhuǎn)化率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種成本低、工藝簡單的將廢棄植物的纖維素和半纖維素進行水解為葡萄糖和木糖的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一.往細碎的廢棄植物中加入重量百分濃度為15% -20%的鹽酸，鹽酸的用量以淹沒廢棄植物為準(zhǔn)；然后進行微波加熱1-2小時，加熱溫度為100°C -IlO0C ；步驟二 .將步驟一得到的經(jīng)過微波處理的廢棄植物和鹽酸倒入高壓反應(yīng)釜中，在 1. 2-1. 35MPa的空氣壓力、120_140°C下，保持1-2小時，進行水解；步驟三.將步驟2得到的物質(zhì)進行過濾，分離水解液和余渣，得到水解液。所述步驟三之后還包括步驟四對步驟三得到的水解液進行鹽酸回收處理，分離出鹽酸和單糖液體。所述步驟一之前，先將所述廢棄植物進行去木質(zhì)素處理在所述廢棄植物中加入廢棄植物重量的6倍以上的乙醇，然后在1. 2-1. 35MPa的空氣壓力下保持2個小時，溶解掉其中的木質(zhì)素，然后進行過濾，得到去除了木質(zhì)素的廢棄植物。所述步驟一中的鹽酸濃度為20%。所述步驟一中微波加熱時間為1小時，加熱溫度為110°C。
所述步驟二中水解溫度為130°C，水解時間為2小時。所述廢棄植物為鋸末或用粉碎機粉碎后的廢棄植物。本發(fā)明采用鹽酸作催化劑水解纖維素和半纖維素，鹽酸的分子量與葡萄糖的分子量相差很大，可以用膜分離，便于回收，因此消耗少，且鹽酸價格約為硫酸的一半，所以成本低。雖然鹽酸中的HCL的分壓很大，溫度稍高就會大量溢出，但本發(fā)明是在高壓下進行水解，在水解過程中不會發(fā)生大量溢出的情況，雖然鹽酸腐蝕性較大，但現(xiàn)在的材料技術(shù)完全可以克服此缺點，本發(fā)明采用內(nèi)壁有防腐層(聚四氟乙烯)的高壓反應(yīng)釜即可?，F(xiàn)有的鹽酸回收設(shè)備，只能回收濃度20%以下的鹽酸。20%的鹽酸不是濃鹽酸，水解效果較差，為彌補這個不足，本發(fā)明提高了水解溫度。本發(fā)明的水解溫度低于140度，在該溫度下水解生成的葡萄糖不會立即分解，避免生成含毒害發(fā)酵酒精的酵母菌，且在該溫度下、且在高壓反應(yīng)釜中進行水解，鹽酸不會大量產(chǎn)生大量HCL氣體，避免了惡化工作環(huán)境。本發(fā)明采用微波加熱，可以準(zhǔn)確控制水解液的溫度，且微波擴大了纖維素結(jié)晶區(qū)的尺寸，有利于催化劑鹽酸的進入。在高壓反應(yīng)釜進行水解，能使鹽酸滲入纖維素結(jié)晶內(nèi)部，加快水解速度。本發(fā)明也可采用微波高壓反應(yīng)釜，則可以取消微波預(yù)處理工序。
具體實施例方式實施例11、取鋸末作為本實施例1的廢棄植物，先進行去木質(zhì)素處理取鋸末454g，加入10 倍體積的乙醇，然后在1. 2-1. 35MPa的空氣壓力下保持2個小時，溶解其中的木質(zhì)素，然后進行過濾，稱量余下的鋸末，為312g，去除了 142g木質(zhì)素。本步驟中乙醇的用量通常是植物重量的6倍以上。2、在已除去木質(zhì)素的鋸末中，取20g鋸末，往鋸末中加入重量百分濃度為20%的鹽酸，鹽酸的用量以淹沒鋸末為準(zhǔn)，然后進行微波加熱1小時，加熱溫度為110°C，加熱時不能超過最高溫110°C。3、將步驟2得到的經(jīng)過微波處理的鋸末和鹽酸倒入高壓反應(yīng)釜中，在 1. 2-1. 35MPa的空氣壓力下升溫至130°C，保持該溫度和壓力2小時，進行水解。4、將步驟3得到的物質(zhì)進行過濾，分離水解液和余渣，得到水解液。稱量得知余渣為4g，其余為水解液，可知其余16g纖維素和半纖維素水解成了單糖(葡萄糖和木糖)，即經(jīng)過本實施例的水解方法，鋸末中80%的纖維素和半纖維素水解為了單糖(葡萄糖和木糖)。然后按照現(xiàn)有技術(shù)的方法對水解液進行鹽酸回收處理，分離鹽酸和單糖液體，分離出來的單糖液體可用于下一步制備燃料乙醇，不再贅述。實施例21、取鋸末作為本實施例2的廢棄植物，先進行去木質(zhì)素處理取鋸末800g，加入10 倍體積的乙醇，然后在1. 2-1. 35MPa的空氣壓力下保持2個小時，溶解其中的木質(zhì)素，然后進行過濾，稱量余下的鋸末，為560g，去除了 240g木質(zhì)素。本步驟中乙醇的用量通常是植物重量的6倍以上。2、在已除去木質(zhì)素的鋸末中，取20g鋸末，往鋸末中加入重量百分濃度為15%的鹽酸，鹽酸的用量以淹沒鋸末為準(zhǔn)，然后進行微波加熱1. 5小時，加熱溫度為100°C，加熱時
4不能超過最高溫110°c。3、將步驟2得到的經(jīng)過微波處理的鋸末和鹽酸倒入高壓反應(yīng)釜中，在 1. 2-1. 35MPa的空氣壓力下升溫至140°C，保持該溫度和壓力1小時，進行水解。4、將步驟3得到的物質(zhì)進行過濾，分離水解液和余渣，得到水解液。稱量得知余渣為3. 5g，其余為水解液，可知其余16. 5g纖維素和半纖維素水解成了單糖(葡萄糖和木糖)，即經(jīng)過本實施例的水解方法，鋸末中82. 5%的纖維素和半纖維素水解為了單糖(葡萄糖和木糖)。然后按照現(xiàn)有技術(shù)的方法對水解液進行鹽酸回收處理，分離鹽酸和單糖液體，分離出來的單糖液體可用于下一步制備燃料乙醇，不再贅述。實施例31、將20g稻草用粉碎機打碎，稻草長度小于Imm ；2、加入重量百分含量為18%的鹽酸，鹽酸的用量以淹沒稻草碎末為準(zhǔn)，然后用微波加熱2小時，加熱溫度為105°C (加熱最高溫度為110°C )；3、將步驟2中微波處理過的物質(zhì)加入高壓反應(yīng)釜中，在1. 2-1. 35MPa的空氣壓力、 135°C溫度下水解1. 5小時;4、將步驟3得到的物質(zhì)按照實施例1的方法進行過濾，分離水解液和余渣，得到水解液。按照現(xiàn)有技術(shù)的裴氏法檢驗水解液中單糖的含量，可知，經(jīng)過本實施例的水解方法，稻草中的纖維素和半纖維素的63%轉(zhuǎn)化為單糖(葡萄糖和木糖)。然后按照現(xiàn)有技術(shù)的方法對水解液進行鹽酸回收處理，分離鹽酸和單糖液體，分離出來的單糖液體可用于下一步制備燃料乙醇，不再贅述。本發(fā)明步驟2中的微波加熱和步驟3中的高壓反應(yīng)釜中水解，也可采用微波高壓反應(yīng)釜，在微波高壓反應(yīng)釜中一步完成，則可以取消在反應(yīng)釜外微波加熱預(yù)處理工序。本發(fā)明采用的廢棄植物可以是鋸末，也可以是粉碎機粉碎后的廢棄植物，例如稻草、秸稈、野草等植物。
權(quán)利要求
1.一種水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一.往細碎的廢棄植物中加入重量百分濃度為15% -20%的鹽酸，鹽酸的用量以淹沒廢棄植物為準(zhǔn)；然后進行微波加熱1-2小時，加熱溫度為100°C -IlO0C ；步驟二.將步驟一得到的經(jīng)過微波處理的廢棄植物和鹽酸倒入高壓反應(yīng)釜中，在 1. 2-1. 35MPa的空氣壓力、120_140°C溫度下，保持1_2小時，進行水解；步驟三.將步驟2得到的物質(zhì)進行過濾，分離水解液和余渣，得到水解液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，所述步驟三之后還包括步驟四對步驟三得到的水解液進行鹽酸回收處理，分離出鹽酸和單糖液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，所述步驟一之前，先將所述廢棄植物進行去木質(zhì)素處理在所述廢棄植物中加入廢棄植物重量的6倍以上的乙醇，然后在1. 2-1. 35MPa的空氣壓力下保持2個小時，溶解掉其中的木質(zhì)素，然后進行過濾，得到去除了木質(zhì)素的廢棄植物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，所述步驟一中的鹽酸濃度為20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，所述步驟一中微波加熱時間為1小時，加熱溫度為110°c。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，所述步驟二中水解溫度為130°C，水解時間為2小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，其特征在于，所述廢棄植物為鋸末或用粉碎機粉碎后的廢棄植物。
全文摘要
一種水解廢棄植物中纖維素和半纖維素的方法，包括如下步驟往細碎的廢棄植物中加入重量百分濃度為15％-20％的鹽酸，鹽酸用量以淹沒廢棄植物為準(zhǔn)；然后進行微波加熱1-2小時，加熱溫度為100℃-110℃；再將得到的經(jīng)過微波處理的廢棄植物和鹽酸倒入高壓反應(yīng)釜中，在1.2-1.35MPa的空氣壓力、120-140℃下，保持1-2小時，進行水解；然后將步驟2得到的物質(zhì)進行過濾，分離水解液和余渣，得到水解液。對得到的水解液進行鹽酸回收處理，分離出鹽酸和單糖液體，單糖液體可用于進一步生產(chǎn)燃料乙醇。本發(fā)明的水解方法成本低、工藝簡單，便于鹽酸回收，且避免了惡化工作環(huán)境。
文檔編號C13K1/02GK102206716SQ201110076418
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者孫維民, 張歡, 張浪, 張羨信 申請人:張浪