一种木质纤维素原料中木质素提取的预处理方法与流程

本发明属于生物质中木质素的提取，具体涉及一种木质纤维素原料中木质素提取的预处理方法。

背景技术：

1、随着全球能源短缺的问题日益加剧，寻找替代石化资源已经成为世界各国可持续发展的必经之路。木质纤维素材料是世界上储量最丰富最广泛的可再生生物质资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中，木质素占比20％～30％左右。木质素在替代石油原料生产可再生化学品和材料方面具有广阔的潜力，其不仅可作为环氧树脂、橡胶及热塑性塑料等的添加剂，还可以作为动物饲料添加剂及高分子原料等。因此从木质纤维素材料中有效提取木质素长期以来都是研究热点。但木质纤维素材料的结构非常致密，纤维素、半纤维素、木质素三者之间互相缠绕、制约，致使实现清洁、高效且结构完整的木质素的提取成为一项艰巨的挑战。现有技术中提取木质素的这些方法通常都难以兼顾高产量和高质量，或严重破坏木质素的天然结构，或提取的木质素纯度不够，这对木质素的高值化利用造成严重影响。目前，提取木质素的方法有机械法、酸碱法、酶解法、有机溶剂法等。其中，酶解法分离木质素是近年来发展的一种新的分离木质素方法，是利用纤维素酶将生物质中的纤维素和半纤维素酶水解成水溶性糖，从而分离提取木质素。酶解法具有分离条件温和、木质素结构改变较小等优点。

2、为了提高木质素的提取率，一般会在提取前对木质纤维素原料进行预处理，常见的预处理方法有酸法、碱法、有机溶剂法、蒸汽爆破法、生物法等以及几种方法的结合。酸法、碱法和有机溶剂法的处理效果较好，但处理成本较高，且环境污染严重。生物法虽然清洁，但周期长、处理效率低，难以达到工业化的要求。蒸汽爆破法无污染、周期短，是目前木质纤维素原料预处理技术中广泛采用的方法，但也存在处理效果不理想的问题。因此，如何提高预处理效率和降低预处理成本，是亟需解决的问题。

3、cn117025693a公开了一种汽爆预处理农业生物质的方法，采用螺旋挤压耦合超低酸喷雾协同蒸汽爆破结合预处理农业生物质：在蒸汽爆破预处理前先对农业生物质进行螺旋挤压处理，然后对农业生物质原料进行酸喷雾处理，在酸的协同作用下进行蒸汽爆破，能有效提高酶解效率，降低蒸汽爆破的条件，降低能耗，同时减少抑制物的生成，以及有效降低蒸汽爆破预处理的剧烈程度，同时该发明化学品用量少，具有生产成本低、选择性高、环境友好性高等优点。但是该发明在蒸汽爆破过程中加入酸虽然有协同促进作用，还是会对设备带来一定的腐蚀性。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术中存着的问题，本发明提供一种木质纤维素原料中木质素提取的预处理方法，即将木质纤维素原料先进行浸渍处理，再进行蒸汽爆破，能够有效实现提高酶解效率和木质素的提取率，同时不存在污染、腐蚀问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种木质纤维素原料中木质素提取的预处理方法，包括以下步骤：

4、(s1)将木质纤维素原料粉碎后过筛，得到第一物料；

5、(s2)将步骤s1所得第一物料放入浸渍液中浸渍1～3h，得到混合物料；所述浸渍液为三聚氰酸盐与非离子表面活性剂按质量比10：0.1～0.3加入水中配制成浓度为0.5wt％～2.0wt％的混合液；所述非离子表面活性剂为聚氧乙烯类表面活性剂且hlb为15～18；

6、(s3)将步骤(s2)所得混合物料放入蒸汽爆破器的反应罐中，再将高压饱和水蒸汽通入反应罐内进行蒸汽爆破；

7、(s4)爆破结束，收集爆破后的物料，水洗、烘干后得到预处理后的物料，完成木质纤维原料的预处理。

8、进一步地，(s1)所述木质纤维素原料为玉米秸秆、小麦秸秆、芦苇和水稻秸秆中的至少一种。

9、进一步地，(s1)所述粉碎为利用粉碎机将木质纤维素原料粉碎至3～10mm；所述过筛为筛网目数40～60目。

10、进一步地，(s2)所述第一物料与浸渍液的固液比为1kg：2～4l。

11、进一步地，(s2)所述三聚氰酸盐为三聚氰酸钠和三聚氰酸钾中的至少一种；所述的聚氧乙烯类表面活性剂为聚氧乙烯脂肪酸酯。

12、进一步地，所述为聚氧乙烯脂肪酸酯为卖泽49或卖泽52中的至少一种。

13、进一步地，(s2)所述浸渍为50～60℃，并辅以超声波处理条件下浸渍，超声波处理功率为200～300w，频率为5～10khz。

14、进一步地，(s3)所述蒸汽爆破为控制爆破压力在1.2～1.5mpa，维压时间6～10min。

15、进一步地，(s4)所述水洗是将爆破后的物料压干后以质量比1:1～3加入水中搅拌5-20min，水洗2-4次；所述烘干是将水洗后的物料压干后于80～90℃下干燥箱中烘干8～12h。

16、采用蒸汽爆破技术对木质纤维素原料进行预处理，可以使木质纤维原料的致密三维网络结构遭到破坏，促进组分分离，有利于后续的纤维酶解。本发明在蒸汽爆破前通过三聚氰酸盐和表面活性剂共同作用对木质纤维素原料进行浸渍处理，使纤维得以软化，促进木质纤维原料的致密三维网络结构的破坏，有利于蒸汽爆破时纤维在不受机械损伤的情况下分离；同时，使纤维发生一定的润胀，有利于增大水蒸汽的渗入程度，更好地促进原料细胞壁的破裂，原料结构变得疏松多孔，进而能提供了更多的酶接触位点，后续的酶解提取木质素的效率就明显提高。

17、发明人在研究过程中还发现，并不是任意一种有机盐和表面活性剂都能够与蒸汽爆破协同增强木质纤维素原料的预处理效果。申请人在研究中发现含有六元大π键的三聚氰酸盐类溶液可以和木质素的苯环大π键发生π-π相互作用，可能的原因是促进木质纤维原料的致密三维网络结构的破坏，同时聚氧乙烯类表面活性剂(hlb介于15-18)具有较好的增溶、润湿作用。经过对比研究之后，本发明选用三聚氰酸盐与聚氧乙烯类表面活性剂按一定质量比混合而成的浸渍液对木质纤维素原料进行浸渍处理，通过三聚氰酸盐-聚氧乙烯类表面活性剂的π-π相互作用、增溶、润湿润胀及分散作用，再配合蒸汽爆破的作用，实现了木质纤维素原料的高效预处理，促进了木质纤维素原料中各组分的分离，进而提高了后续的酶解效率。在具体实施过程中，如果三聚氰酸盐-聚氧乙烯类表面活性剂在浸渍液中的浓度偏低，则达不到降低木质纤维素原料的界面液体表面张力的效果，进而使得三聚氰酸盐-聚氧乙烯类表面活性剂不能均匀浸渍到纤维内部，起到相应的π-π相互作用及增溶、润胀作用。如果三聚氰酸盐-聚氧乙烯脂类表面活性剂在浸渍液中的浓度过高，超过临界胶束浓度则会造成材料的浪费。实验结果表明，当三聚氰酸盐-聚氧乙烯类表面活性剂在浸渍液中的浓度为0.5wt％～2.0wt％时，能达到最佳的协同效果。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果：

19、本发明提供的木质纤维素原料的预处理方法，在三聚氰酸盐-聚氧乙烯类表面活性剂的协同作用下进行蒸汽爆破，即在蒸汽爆破前将三聚氰酸盐-聚氧乙烯类表面活性剂的水溶液对木质纤维素原料进行浸渍处理，有利于蒸汽爆破时纤维在不受机械损伤的情况下分离，同时，使纤维发生一定的润胀，有利于增大水蒸汽的渗入程度，从而提高蒸汽爆破的效果，进而提高后续的酶解效率和木质素的提取率，同时不存在污染、腐蚀问题。

20、本发明提供的木质纤维素原料的预处理方法，由于在蒸汽爆破前进行了浸渍，能降低蒸汽爆破的条件，与现有技术中2～4mpa的爆破压力相比，能在1.2～1.5mpa的爆破压力下达到较好的爆破效果，蒸汽爆破的条件的降低能带来能耗的降低。