[发明专利]一种秸秆半纤维素的水解处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及秸秆半纤维素的水解处理方法。

背景技术

秸秆是成熟禾本作物收获了籽实之后残余茎、叶、穗部分的总称，也包括榨糖之后的甘蔗渣，其主要成分包括木质素、纤维素与半纤维素三大部分，这三种成分在不同作物秸秆的大概比例为纤维素30-50％，半纤维素20-35％，木质素20-30％。其中纤维素水解产物是葡萄糖(六碳糖)，半纤维素水解产物主要为木糖、阿拉伯糖(均为五碳糖)，木质素降解物是一系列复杂的含有苯环的化合物。

秸秆半纤维素部分很容易被稀酸水解，生成以五碳糖(木糖，阿拉伯糖)为主要成分的半纤维素水解物。半纤维素稀酸水解物经纯化后可直接制备功能性甜味剂结晶木糖，阿拉伯糖，或通过生物发酵直接将水解物中的木糖还原为附加值更高的功能性甜味剂木糖醇，或者发酵木糖生产包括燃料乙醇在内的各类化工产品。此外，半纤维素水解物中的木糖也可以经脱水反应，生成重要的化工原料糠醛。尽管秸秆资源十分丰富，其中的半纤维素也十分容易被稀酸水解，但要获得廉价的半纤维素水解物却并非易事。因为秸秆体积庞大，容积密度低，传统的水解方法不仅蒸汽、酸液耗量大，而且水解设备利用效率也很低。同时，水解过程消耗的酸液最终进入环境，酸液耗量越大，秸秆水解厂的环境治理负担就越重。因此，按照现有的半纤维水解工艺，无论是糠醛工业，或是木糖(醇)工业，都产生大量难以治理的废水、废渣，属于典型的高能耗，重污染行业。

以传统稀酸水解法水解玉米芯、甘蔗渣半纤维素制备木糖的工艺为例，原料装入水解釜之后，加入硫酸溶液并使终点硫酸浓度达1-1.5％，通入蒸汽，115--130℃条件下水解1.5-2h。水解结束即滤出的水解液含糖量因原料而异，大约2.5-6％之间。为提高木糖的回收率，罐内残渣通常须再用清水煮一次，水煮液含糖约1-2％，补足酸后用于下一批物料水解。这种秸秆半纤维素液态水解工艺不仅水解过程耗能大，所得水解液糖浓度也很低。以玉米芯为例，液态水解液的总糖浓度一般不超过6％，而甘蔗渣液态水解液的总糖浓度甚至很难超过3％。过低的糖浓度增加了后续的浓缩负担。

事实上，只有浸入秸秆组织内部的酸才是参与催化水解反应的有效酸，物料间隙的游离酸液属于没有参与反应的无效酸。以玉米芯，甘蔗渣这类已经广泛用于水解的秸秆原料为例，它们自然堆积的空隙率一般超过50％，处于间隙的游离酸液不仅浪费了热能，也稀释了水解液的糖浓度，增加后期的浓缩费用，同时加重了水解液净化以及环境治理的负担。

如果秸秆原料组织浸透酸液，只要获得与液态水解同样的温度条件，秸秆的酸水解反应显然可以同样进行。蒸汽是获得与液态水解同样的温度条件有效媒介，浸透酸液的秸秆原料在汽态条件下水解，显然就可以避免液体水解的诸多缺陷，大幅度降低秸秆水解生产的成本。但是，秸秆组织比较致密，组织结构未经破坏的秸秆原料并不容易很快浸透酸液。例如，完整玉米芯通常需要数天时间才能浸透酸液。罗鹏等人用0.5％稀硫酸浸泡经过剪断麦草原料，处理时间仍需12小时。(罗鹏刘忠王高升，酸催化的蒸汽爆破预处理强度对麦草酶水解影响的研究。林产化学与工业；2006，26(4)：105-109)。过长的浸酸处理时间将严重影响秸秆水解生产效率，在实际生产中变得不可行。

把秸秆原料粉碎，再将酸液喷洒到粉碎物料上，由于接触面扩大，酸液扩散距离缩短，也能起到加速浸酸的作用。例如，赵辉等人将15％的硫酸喷洒至粉碎玉米芯的表面，浸润一定时间，再用蒸汽加热水解，所提取的半纤维素水解液还原糖深度可达13％(赵辉吴国峰章克昌，玉米芯半纤维素常压酸水解技术的研究。黑龙江大学自然科学学报，2003，20(1)，118-12)。但是，将秸秆原料粉碎之前必须经干燥处理，粉碎过程也需要消耗动力，喷酸，粉碎的过程也需要占用大量场地与设备。这显然提高了秸秆水解的生产成本。

如果能够利用不经粉碎的秸秆原料进行汽态酸水解，就可以免去原料粉碎的烦琐过程。但是，必须能够实现快速浸酸，利用不经粉碎的秸秆原料进行汽态酸水解的工艺才有有实际应用价值。如果能在此基础上进一步提高秸秆原料在水解罐的装锅密度，这种汽态水解工艺所发挥效益，是传统液态水解工艺所不可比拟的。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种汽态水解未经粉碎处理的秸秆原料的方法，以解决背景技术的液态水解后糖浓度过低，无效酸液过多，浪费热能和后期浓缩费用等问题，并节约原料粉碎这一烦琐工序。

本发明的另一目的，在于提供一种秸秆原料高比容(装锅密度)装锅水解的方法，以进一步解决水解设备使用效率低的问题。

本发明提供的技术方案如下：