一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法，包括如下步骤：(1)将质量比为2～5:1的碳基固体酸催化剂与生物质物料放入反应器中，生物质物料与水质量比为1:10～40向反应器中加入水，待加热到120～150℃后，反应2～3小时，对水解液进行分离，将水解液排入储存五碳糖的储罐中留存；(2)将质量比为1:10～40生物质物料与水向反应器中加入水，待加热到140～180℃，反应2‑4小时，对该水解液进行分离，将水解液排入储存六碳糖的储罐中留存；(3)排空反应器内部物料，准备下一个反应循环。本发明专利技术所述的方法可以有效催化生物质物料中半纤维素和纤维素进行水解反应，具有水解率高和糖得率高的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及催化生物质原料水解的
，具体涉及一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法。
技术介绍
生物质资源是地球上唯一一种可转化为气、液、固三相燃料的可再生的清洁碳源，其开发利用受到了世界范围内的广泛关注。生物质原料经过催化转化制备燃料乙醇或平台化合物是其众多转化技术中较为重要的一条路线，而该工艺技术的难点在于如何有效、低成本的将生物质原料进行催化水解制备可发酵性糖。生物质原料的催化水解过程不仅是整个工艺过程中能量投入的重要影响，而且其水解方法关乎到后续废液处理的难易。因此，开发低能耗、环保绿色的生物质催化水解方法是当前生物质资源利用技术中的一个研究热点。在生物质催化水解技术中，液态无机酸是最早利用的一种催化剂。在催化水解过程中，液态酸与生物质颗粒具有较好的传质效率，因此，反应效率较高。但是，液态酸的使用容易造成设备的腐蚀、生成的糖会进一步发生降解反应以及后续酸性废液处理等方面的问题。随着生物技术的不断提高，酶水解技术得到了飞速发展。酶水解具有反应条件温和、定向性好、对反应设备要求低、后续废液处理简便等方面的优势，但是纤维素酶高昂的价格以及低下的反应效率限制了其发展。另外，酶水解前往往需要对生物质物料进行预处理，操作工序较为繁琐。固体酸催化剂是近年来开始研究应用的一种新型催化剂，其具有液态酸催化剂所具有的催化效果，并且不对反应装置造成腐蚀，而且水解所生成的糖不易发生降解。通过对碳基固体酸催化剂进一步的研究，开发利用碳基固体酸催化剂水解生物质的方法是现在科研人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法，本专利技术中方法利用了生物质中半纤维素和纤维素成分水解难易程度的不同，第一步是在较为温和的反应条件下，利用碳基固体酸对生物质物料中的半纤维素成分进行较为充分的水解；排除第一步水解液后，重新加入水作为反应液体，提高反应强度，对物料中的纤维素成分进行充分水解。通过两步水解反应，分别得到富含木糖和葡萄糖的水解液。本专利技术是通过以下技术方案予以实现的：本专利技术提出一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法，包括如下步骤：(1)将碳基固体酸催化剂与生物质物料按照质量比为2～5:1的比例加入固液预混罐中，按照生物质物料与水的质量比为1:10～40的比例向所述固液预混罐中加入水混合均匀，而后将混合均匀的固液物料放入水解反应器中，开启与所述水解反应器连接的油浴加热装置，待加热到120～150℃的温度后反应2～3小时，反应完成后，利用设置在水解反应器底部的固液分离装置对水解液进行分离，利用管道泵将经固液分离装置后的水解液依次通过第一储水罐和第二储水罐后，排入储存五碳糖的五碳糖储罐中留存；(2)以生物质物料为基准，按照生物质物料与水的质量比为1:10～40的比例向经过步骤(1)反应后的水解反应器中加入水，开启与所述水解反应器连接的的油浴加热装置，待加热到160～200℃的温度后反应2～4小时，反应完成后，利用设置在水解反应器底部的固液分离装置对水解液进行分离，利用管道泵将经固液分离装置后的水解液依次通过第一储水罐和第二储水罐后，排入储存六碳糖的六碳糖储罐中留存；(3)打开设置于所述固液分离装置下部的水解反应器排放阀，使所述水解反应器内部的物料排至用于分离反应后的生物质物料及碳基固体酸催化剂的固固分离器，回收碳基固体酸催化剂。本申请中，所述第一储水罐和第二储水罐为相同的结构的两个储罐，其主体为圆柱体结构，上下为球形封头，上部球形封头设有放空阀，内部有螺旋盘管，外部有保温层。反应之后的水解液经由第一储水罐到第二储水罐，水解液在第一储水罐和第二储水罐内部的螺旋盘管中流动，反应所需的水在壳层中与水解液进行热量交换。本专利技术提出的碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法利用了生物质中半纤维素和纤维素成分水解难易程度的不同，第一步是在较为温和的反应条件下，利用碳基固体酸对生物质物料中的半纤维素成分进行较为充分的水解；排除第一步水解液后，重新加入水作为反应液体，提高反应强度，对物料中的纤维素成分进行充分水解，通过两步水解反应，分别得到富含木糖和葡萄糖的水解液；使用该方法对生物质物料进行水解，只需添加一次固体物料，可以有效减少操作步骤，另外，第一步处理后的物料，其已经破坏的结构没有因放置或干燥一段时间而重新闭合，对第二步水解反应具有较好的推动作用。优选地，所述生物质物料选自农作物废弃物、木材废弃物或能源草本植物中的一种，所述农作物废弃物选自玉米芯、玉米秸秆、小麦秸秆或大米秸秆中的一种，所述木材废弃物为桉木木屑或松木木屑，所述能源草本植物为柳枝稷或芒草。优选地，所述水解反应器外部依次设置有盘管加热层和第一保温层，所述油浴加热装置包括与所述盘管加热层连接的导热油罐，所述导热油罐设置有用于提供热源的电加热器和测定所述水解反应器温度的导热油罐测温点。导热油罐为向水解反应器提供热量的主要供应源，内部设置电加热器，用于导热油的加热；末端与管道泵链接，用于向水解反应器导热油盘管加热层输送热导热油；上部设置有导热油回收口，导热油为循环使用。在本申请中，水解反应器为实现固体酸催化剂催化生物质物料进行水解反应的反应器，其主体为圆柱体结构，上下为球形封头。在水解反应器上部球形封头上设有浆料(生物质物料、固体酸催化剂和水的混合浆料)加料口，与螺杆泵链接、蒸汽加料口、放空口以及压力表；在其中轴线设置搅拌器，用于固体和液体物料均匀混合；外部设有导热油盘管加热层，用于反应时对反应器内反应物料进行加热；盘管加热层外包裹保温层，以减少反应过程中的热量损失；在水解反应器下部的球形封头上设有固液分离器，用于反应后对反应器中的液体物料分离后排出反应器，其末端与管道泵连接；固液分离器的末端与水解反应器排放阀连接，用于反应后将固体物料排出装置。在本申请中，还包括控制系统，用于控制系统中的管道阀门、泵、电机、加热器等所有可以通过电控的装置以及链接热电偶对温度监测和设定，对于连接在水解反应器中的热电偶，只起到温度监测的作用。进一步的，所述水解反应器内部还设置有内衬，所述水解反应器为不锈钢材质，所述内衬为四氟乙烯材质。水解反应器是以316L型号的不锈钢为材质制造的耐压圆柱形反应器。优选地，所述水解反应器内部设置有用于搅拌所述固液物料的搅拌器，所述搅拌器顶部设置有用于驱动所述搅拌器的水解反应器搅拌电机。优选地，所述生物质物料的粒径为0.2-5mm。优选地，所述水解反应器顶部设置有用于测定所述水解反应器内部压力的压力表。优选地，所述固液分离装置与所述水解反应器可拆卸连接。优选地，所述水解反应器外部设置有若干个测温点。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提出的碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法利用了生物质中半纤维素和纤维素成分水解难易程度的不同，第一步是在较为温和的反应条件下，利用碳基固体酸对生物质物料中的半纤维素成分进行较为充分的水解；排除第一步水解液后，重新加入水作为反应液体，提高反应强度，对物料中的纤维素成分进行充分水解，通过两步水解反应，分别得到富含木糖和葡萄糖的水解液；使用该方法对生物质物料进行水解，只需添加一次固体物料，可以有效减少操作步骤，另外，第一步处理后的物料，其已经破坏的结构没有因放置或干燥一段时间而重新闭合，对第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将碳基固体酸催化剂与生物质物料按照质量比为2～5:1的比例加入固液预混罐中，按照生物质物料与水的质量比为1:10～40的比例向所述固液预混罐中加入水混合均匀，而后将混合均匀的固液物料放入水解反应器中，开启与所述水解反应器连接的油浴加热装置，待加热到120～150℃的温度后反应2～3小时，反应完成后，利用设置在水解反应器底部的固液分离装置对水解液进行分离，利用管道泵将经固液分离装置后的水解液依次通过第一储水罐和第二储水罐后，排入储存五碳糖的五碳糖储罐中留存；(2)以生物质物料为基准，按照生物质物料与水的质量比为1:10～40的比例向经过步骤(1)反应后的水解反应器中加入水，开启与所述水解反应器连接的的油浴加热装置，待加热到160～200℃的温度后反应2～4小时，反应完成后，利用设置在水解反应器底部的固液分离装置对水解液进行分离，利用管道泵将经固液分离装置后的水解液依次通过第一储水罐和第二储水罐后，排入储存六碳糖的六碳糖储罐中留存；(3)打开设置于所述固液分离装置下部的水解反应器排放阀，使所述水解反应器内部的物料排至用于分离反应后的生物质物料及碳基固体酸催化剂的固固分离器，回收碳基固体酸催化剂。...

【技术特征摘要】
1.一种利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将碳基固体酸催化剂与生物质物料按照质量比为2～5:1的比例加入固液预混罐中，按照生物质物料与水的质量比为1:10～40的比例向所述固液预混罐中加入水混合均匀，而后将混合均匀的固液物料放入水解反应器中，开启与所述水解反应器连接的油浴加热装置，待加热到120～150℃的温度后反应2～3小时，反应完成后，利用设置在水解反应器底部的固液分离装置对水解液进行分离，利用管道泵将经固液分离装置后的水解液依次通过第一储水罐和第二储水罐后，排入储存五碳糖的五碳糖储罐中留存；(2)以生物质物料为基准，按照生物质物料与水的质量比为1:10～40的比例向经过步骤(1)反应后的水解反应器中加入水，开启与所述水解反应器连接的的油浴加热装置，待加热到160～200℃的温度后反应2～4小时，反应完成后，利用设置在水解反应器底部的固液分离装置对水解液进行分离，利用管道泵将经固液分离装置后的水解液依次通过第一储水罐和第二储水罐后，排入储存六碳糖的六碳糖储罐中留存；(3)打开设置于所述固液分离装置下部的水解反应器排放阀，使所述水解反应器内部的物料排至用于分离反应后的生物质物料及碳基固体酸催化剂的固固分离器，回收碳基固体酸催化剂。2.根据权利要求1所述利用碳基固体酸催化剂两步水解生物质的方法，其特征在于：所述生物质物料选自农作物废弃物、木材废弃物或能源草本植物中的一种，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓伟，王琼，谭雪松，王闻，余强，庄新姝，袁振宏，王忠铭，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44