半钎维素生产燃料乙醇的热水预抽提技术

造二芒与敦术13半轩维素生产燃科z醇的热小预抽提技术杨恒张素风陕西科技大学造纸工程学院陕西西安(710021)摘要:结合生物质精炼的理念,可以在植物纤维原料燕煮之前,通过热水预抽提的方式,先抽提出部分半纤维素。抽提出的半纤维素经分离后可以通过水解、发酵制取燃料乙醇;抽提后的植物纤维原料仍用于制浆造纸。这样既可以做到生物质资源的充分、可持续利用,又能为制浆企业带来附加经济效益关键词:热水预抽提;燃料乙醇;半纤维素能源是人类社会生存和发展的物质基础。面对精炼的热点。蒸煮前通过预处理提取半纤维素,这是全球的资源短缺与能源危机,生物质资源由于其可目前结合制浆造纸工业而研究的生物质精炼方式再生性和环保性而越来越受到人们的重视。制浆造之纸行业是木质生物质资源的主要利用途径之一,但现有的预处理方法主要有物理法、化学法物理是,长期以来除了纤维素纤维用于制浆造纸外,在化学法和生物法。物理预处理方法主要包括机械粉化学法制浆过程中,分别占植物纤维原料质量约碎、微波和超声波预处理、蒸汽爆破和热水预抽提等。20%和30%的半纤维素和木素会被溶解到蒸煮废化学预处理方法主要包括酸水解碱水解、臭氧法、有液中。蒸煮废液通常是通过碱回收系统燃烧,用来机溶剂法等。物理化学法主要包括氨爆破法、CO2爆生产蒸汽、电能和回收氢氧化钠等化学药品。但是,破法等。生物法预处理主要是通过真菌降解植物纤维半纤维素的燃烧值很低,远低于木素的燃烧值,半原料中的木质素,目前研究得最多的是白腐菌。纤维素没有得到有效利用。上述诸多方法中,机械粉碎和蒸汽爆破会破坏纤近年来,随着生物质精炼技术的发展,对木质生维结构,运行成本也较高。微波处理法设备投资昂贵物质原料中半纤维素的分离利用如发酵制取燃料乙化学法预处理也存在一定的局限性,如操作危险性醇等产物的研究越来越受到研究者的重视。目前,半强、环境污染大、能耗高、反应时间长、反应装置的耐纤维素生物精炼的新模式是在传统的蒸煮前通过预腐蚀要求高等。生物法预处理由于酶的成本高、活性抽提的方式,先抽提出部分半纤维素。抽提出的半纤低,难以大规模商业化运用。而热水预抽提法不使用维素经分离后可以通过水解发酵制取乙醇或直接提酸,所以不需使用化学药品进行缓冲与中和处理,降取乙酸等化学品;抽提后的植物纤维原料仍可用于制低了成本,对环境无污染。在热水中蒸煮时物料颗粒浆造纸会发生破裂,不需对物料进行降低颗粒大小的粉碎处热水预抽提技术具有成本低,对环境无污染,能理能耗较少,半纤维素的水解率与回收率高,并且水耗低,半纤维素的水解率和回收率高等优点,是近年解产物中中性残余物数量少。因此,热水预抽提技术来研究的热点。开展制浆造纸与生物质精炼相结合的具有很好的发展前景。研究对我国植物纤维资源的高效利用、环境保护以及热水预抽提实质上是稀酸处理法的演绎。在高压提高制浆造纸产业的经济效益都具有现实和长远的下,水仍可以维持液态,其介电常数随温度的升高而意义吗。增大,在200℃时纯水的pH值接近5。高温高压下,水可以穿透生物质的细胞壁,水合纤维素,去除半纤1热水预抽提技术概述维素V凵中国煤化工艺参数在抽提半纤半纤维素是自然界含量第二丰富的糖类资源。充维素CNMHG和木素保留在物料分利用木质生物质中的半纤维素已成为当前生物质中。热水捆提覆中的對羋系过膜分离后,可以通作者简介:杨恒,男,1984—,陕西科技大学造纸学院,在读硕士研究生,研究方向:生物技术与制浆造纸工艺与技术2011年第2期过稀酸水解、发酵制得乙醇。剩余物料仍用于制浆乙醇引。 Alexandra等人研究发现随着热水抽提温度升造纸。高,半纤维素的提取率提高但多聚糖的分子量变小,热水预抽提破坏了半纤维素上的乙酰基糠醛酸半纤维素受破坏程度提高。西班牙穆尔西亚大学将取代物等,生成乙酸及其他有机酸乙酸等有机酸的玉米秆粉碎处理后,对其进行不添加任何化学物质的形成有助于打破纤维原料细胞壁的醚键连接,对低聚热水预处理可获得木糖的最大产率为53%,而葡萄糖的形成及去除起到了催化作用。另外,温度显著影糖产率不超过8%同。 Charles等人研究了用稀硫酸从响液态热水的介电常数在高温作用下,水也起到了玉米杆中抽提部分半纤维素通过氨水控制抽提液的酸的作用。多聚糖特别是半纤维素可以被水解生成pH值。另外有研究显示,200-230℃的高压水和生单糖,而酸的存在会使部分单糖进一步水解为醛,主物质混合15min以后,40%-60%的生物质被溶解,其要是戊糖中的糠醛以及六碳糖中的5-羟甲基糠醛,中包括4%-2%的纤维素、35%-60%的木质素以及它们对微生物的发酵都有抑制作用。因此采用碱(如所有的半纤维素。预处理时间为2min,蔗渣的热水预KOH)来保持热水的pH值在5-7之间,使得生物质处理温度从200℃C上升到220℃,木糖的溶解程度从尽可能不要水解为单糖,并且控制预处理过程中的化34%提高到88%,糖化率从43%提高到61%学反应四国内华南理工大学于建仁等以桉木为原料,热水由于木质纤维素颗粒在热水预处理的时候得到分预处理温度170℃,升温时间为40-60min,保温离所以不需要另再减小生物质颗粒的粒径。预处理后60min,半纤维素提取率为33%网。研究表明,随着预处的纤维素具有极高的酶消化性。同时预处理过程可以理温度的升高戊糖提取率显著增加。华南理工大学得到高产率的半纤维素转化的糖,水解产物可以直接还对桉木水抽提液中糖类组分进行了分析,并对酒精用来发酵生成乙醇。另外植物纤维中的半纤维素通常发酵条件进行了初步研究。结果表明桉木热水抽提条是和木素以木素-碳水化合物复合体的形式结合在一件对抽提液中糖类组分有很大影响,较高温度下长时起,半纤维素的溶出,可以提高木素的反应活性,还能间保温预抽提获得的抽提液样品中木糖含量最高,达提高药液的渗透能力,从而提高蒸煮脱木素的程度,降到16.56g叫华南理工大学和纽约州立大学对蔗渣的低浆料的卡伯值,缩短蒸煮时间,减少化学品消耗还热水抽提和碱法制浆进行了实验研究口。南京林业大可以降低黑液的污染负荷和碱回收的处理成本。研究学与山东轻工业学院对热水预处理麦草碱法化机浆表明,蒸煮之前可以在相对温和的条件下提取出部分进行了研究吗南京林业大学以水为介质对麦草进行半纤维素,该工艺不会对纤维数量和质量产生负面影蒸煮前的预水解处理,以最大限度的溶出麦草中的半纤维素,为回收半纤维素水解产物,减少蒸煮黑液碳水化合物含量创造条件叫。山东轻工业学院陈嘉川等2研究现状对半纤维素对浆纸质量的影响进行了研究。从纸浆中目前制浆造纸是木质生物质的主要利用途径之半纤维素的存在方式,半纤维素制浆过程中的变化以但是,长期以来除了将原料中纤维素纤维用于制及半纤维素对纸浆特性和成纸性能的影响等方面做浆造纸外,人们一直忽略原料中半纤维素的利用,原了分析因是传统碱法制浆过程,半纤维素被降解和氧化为甲酸、乙醇酸和乳酸等无法利用。近年来随着生物质精3研究前景炼受到全球高度关注对木质生物质原料中半纤维素生物质精炼是一个复杂的生物转化和化学品合的分离分级利用,如发酵为燃料乙醇等产物的研究重成的工业过程。利用木质生物质原料生产燃料乙醇的新受到研究者的重视。将这部分可以用作生物炼制原研究现已成为当前生物炼制的热点,也是一个世界性料的半纤维素和其他抽提组分在制浆造纸过程有效的难题。半纤维素通常占植物纤维原料组分总量的分离用于发酵生产燃料乙醇或其他化学品。10%~40%,是自然界含量第二丰富的糖类资源。木质美国纽约州立大学 Amidon, Thomas E等人对综生物质制取燃料乙醇要想真正进入产业化阶段,面临合森林生物精炼厂的新产品和方法进行了研究,在制的瓶V凵中国煤化工物质中的半纤维素浆和漂白前对糖枫木木片进行热水提取明。在160℃进行CNMHG高效率转化是实现的温度下,用热水抽提2h,30%的半纤维素被抽提出木质生物质生严之醇工艺实用化的一个技术关键来抽提液中的半纤维素通过稀硫酸水解、发酵制取制浆造纸过程能利用的成分是纤维素纤维和少凌造工芒与术量的木质素和半纤维素。目前木材和非木材原料的工P.wO/20060161162006-116业制浆过程均没有对原料进行水溶液抽提提取半纤维4 Shijie Liu, Zisheng Zhang, Gary M. Scott, The biorefinery: Sus-素糖类等成分进行综合利用的预处理工艺。部分半纤 tainably renewable route to commodity chemicals, energy,,and维素糖类与溶于废液中的木质素一起基本被烧掉,其aterials [C]. The Second Intemational Biorefinery Conference,利用价值很低,造成资源的极大浪费和环境污染。Oct. 2009. Syracuse, New York, 541-542以上背景给制浆造纸工业转化经营模式,将传统5 xandra A. Heat extraction of com的 ber hemicellulose ] Ap的化学浆厂变成一个联合的生物炼制厂提供了很好的Bmmm92023126机遇和平台,使制浆造纸企业获得纸浆和纸之外,还可mocelluloses: Solubilization of com stalk hemicelluloses by auto-以生产高附加值的燃料和化学药品。这种经营模式是 hydrolysis in aqueous medium Biomass and Bioenergy,1915将来制浆造纸工业可持续发展的趋势和必由之路。(6):483-491热水抽提半纤维素工艺简单,反应可以在蒸煮锅⑦ nadur SK, Ghosh IN, Deb sarkarNL Ramie hemicellulose as中进行抽提过程中不使用酸碱等化学品,成本低,对 beater additive in papermaking from jutestick kraft pulp U]. Industry环境无污染半纤维素的水解率与回收率高抽提物易 Crops and Produc,19942:79-84于分离和提纯,而且对纤维的数量和质量不产生负面 bLaser M, Schulman D., Allen s, Etal. A comparison of liquid hot影响,是未来半纤维素抽提工艺发展的方向water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconver-sion to ethanol Bioresource Technology, 2002, 81(2): 33-449于建仁张曾伍红等半纤维素预提取对桉木纤维形态及浆料性能的形响造纸科学与技术2007,26(6)25-28全球的资源短缺与能源危机给制浆造纸行业也带(10迟聪聪,张曾于建仁等桉木半纤维素预提取工艺的初步研来了巨大的挑战同时也提供了发展的契机。生物质精究门中国造纸学报2082356-10炼必然可以与制浆造纸工业广泛结合。通过发展生物[1]郑秋梅朱明军梁磊等桉木水预水解提取液糖类组分分析质精炼可以将传统的化学浆厂变成一个浆纸-生物质及酒精发酵条件的初步研究团纸科学与技术200928(5)精炼联合加工厂,这样除了生产浆料以外,还可以从废13-1612]雷以超刘世杰吴渊等.蔗渣的热水抽提和碱法制浆中通过转化进一步生产高附加值的产品。开展制浆造国造纸200287073-75纸与生物质精炼相结合的研究对我国植物纤维资源的13]葛培锦赵建,曲音波等热水和木聚糖酶预处理制备麦草碱高效利用、环境保护以及提高制浆遣纸工业和森林工法化机浆的研究门中国造纸学报2004,19(2)25-28业的经济效益都具有现实和长远的意义14]梅凯预水解对麦草制浆和漂白性能的影响回D南京林业大学,2009[15]王风娟黄峰杨桂等.半纤维素对浆纸质量的影响团造纸参考文献科学与技术2010,29(1)27-32沈葵忠,房桂干梁芳敏等.生物质精炼在造纸工业中的应16]于建仁张曾迟聪聪.生物质精炼与制浆造纸工业相结合的用模式和发展趋势门江苏造纸20102):14-20研究口中国造纸学报20023(180-84[2]Weil J. R, Brewer M, Hendrickson R, Sarikaya A, Ladisch M. [17 Waleed Wafa Al-dajini, Ulrike W Tschimer Pre-extraction ofR. Continuous pH monitoring during pretreatment of yellowpoplar hemicelluloses and subsequent kraft pulping. Tappi J,2008(6): 3ood sawdust by pressure cooking in water. Applied Biochemistry[18谌尧翟华敏生物精炼在造纸工业中的应用现状和前景Uand Biotechnology, 1998, 70-72: 99-111中华纸业2008(2)21-23[3]Amidon, Thomas E, Francis, Raymond, Scott, Gary M. Et alNew Product and Processes from an Integrated Forest Biorefinery收稿日期2011-01-29信息·三门峡蓝雪包装“凹版印刷——纸/纸复合工艺技术”领跑中华三门峡蓝雪包装公司自行研发的“凹版印刷纸/纸复合工纸提高面纸耐折奉50倍以上。⑤产品具有独特的防伪功能。的将印艺技术”成果转化后使得生产效率提高、产品质量优良,成品率由刷和上光油一次完成采用水性胶湿法复合取代油性胶的干法复合,80%提高为9‰%较传统胶印速度提高10多倍,这种包装箱制作工艺大大提高产品的环保性能。⑦与传统工艺技术相比制作的箱子直观国内领先,且产品环保利于回收,实现了真正意义上的绿色包装。效果好、档次高。8)传统胶印单片式印刷效率提高5倍,大大降低利用“凹版印刷纸/纸复合工艺技术”生产的多层彩箱与传纸张边角损耗制成包装箱可降低成本1%。阳)克服了露楞问题,胶印工艺生产的产品相比,具有以下9个特点:()墨色饱满色箱面中国煤化工彩鲜艳图案逼真,套印准确。囚使普通凹印机能够满足80g/m3居国内领先水平,目前已120g/m2铜版纸的印刷需要,生产效率提高,印刷速度可达经通CNMHG被授子河南省科技进步150m/min③用铜版纸和再生灰板纸复合代替白卡纸(或白板纸),奖,河南省发改委、教育厅授予“最佳企业品牌奖”、“最佳设计创新合威纸可降低400元~700元价格优势明显。④复合纸板较白卡(板)奖”和“印刷工艺创新奖”荣誉。摘自中国包装报