一种水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种水热‑过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，包括如下步骤：S1、取干燥的杨木屑原料，经研磨破碎后过筛，得到杨木粉；S2、称取步骤S1得到的杨木粉，加入过氧乙酸溶液，超声震荡，静置，得到物料混合液；S3、在步骤S2得到的物料混合液中，加入固体三氯化铁，混合均匀后得到混合物料，静置，转移到反应容器中，加热，进行水热反应；S4、将步骤S3得到的反应产物进行固液分离，完成杨木纤维的预处理。本发明专利技术的方法中，通过过氧乙酸和三氯化铁的协同作用提升了杨木纤维的水热处理效果，促使更多的半纤维素转换成木糖溶出，暴露出更多的酶可接触位点，有利于后续酶解发酵产乙醇。

【技术实现步骤摘要】
一种水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法
本专利技术属于生物质能源与材料、新能源及木质生物质精炼领域，具体涉及一种水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法。
技术介绍
木质纤维生物质原料的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素通过复杂作用和形式连接而成的。木质纤维生物质原料细胞壁的这种复合结构形成的抗降解屏障对植物体本身有保护作用，但一定程度上也阻碍了木质纤维生物质的转化。为提高生物质转化效率，必须通过预处理工艺改变物料的物理或化学特性，去除木质纤维生物质中的大部分半纤维素使其变得疏松并暴露出更多的酶接触位点，从而克服生物质的难降解性。水热蒸煮法作为一种简单的木质纤维预处理方法，整个过程不加入任何化学品，不会造成环境污染，是一种常用的木质纤维预处理方法。杨木具有密度小、强度低、材质软的特点，木质结构疏松。在水热预处理杨木纤维的过程中，由于用水作为主要溶液存在一定的局限性，往往需要借助高温高压反应釜(T>200℃，P>2MPa),而借助高温高压反应釜进行水热预处理则需要严苛的反应环境和消耗大量的能量。过氧乙酸对于去除杨木中半纤维素具有一定促进作用，但若是仅仅使用过氧乙酸预处理杨木纤维，则会存在反应时间长、反应温度高的缺陷。为了克服上述缺陷，现有技术利用过氧乙酸与马来酸的混合液对木质纤维原料进行预处理，但该技术方案仍然存在酸用量大、反应时间长、能耗高的缺陷。因此，开发一种处理工艺简单、环境友好、生产成本低的半纤维素降解方法，对杨木资源化利用十分重要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中存在的预处理时间长、酸碱化学品消耗量大、成本高、对环境污染大等不足，提供一种操作简易、成本低廉、效率高的杨木纤维预处理方法，实现杨木纤维中半纤维素大量降解，使杨木结构疏松、表面积增大，为后续的酶解发酵产乙醇打下坚实的基础。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，包括如下步骤：S1、取干燥的杨木屑原料，经研磨破碎后过筛，得到杨木粉；S2、称取步骤S1得到的杨木粉，加入过氧乙酸溶液，超声震荡，静置，得到物料混合液；S3、在步骤S2得到的物料混合液中，加入固体三氯化铁，混合均匀后得到混合物料，静置，转移到反应容器中，加热，进行水热反应；S4、将步骤S3得到的反应产物进行固液分离，完成杨木纤维的预处理。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S1中，过筛的目数为40～60目，杨木粉的含水率为5％～6％。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2中，过氧乙酸溶液的体积浓度为5v％～40v％。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2中，杨木粉与过氧乙酸溶液的固液比为1︰10～40。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S2中，超声震荡的时间为30min，静置的时间为30min。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3中，三氯化铁在混合物料中的浓度为0.05mol/L～0.4mol/L。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3中，反应的温度为80℃～160℃，反应的时间为20min～100min。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S3中，静置的时间为5min。本专利技术的创新点在于：申请人在研究过程中发现，过渡金属离子对于半纤维素具有良好的去除作用，但若是仅仅使用金属盐处理，不但会增加杨木预处理时间，而且杨木纤维去除效果有限，并且需要借助高温高压反应釜进行反应。此外，FeCl3比其他种类的金属盐离子(如Ca2+、Mg2+、Al3+、Zn2+等)具有更加显著的去除杨木半纤维素的效果。针对单独利用水热蒸煮法预处理杨木纤维存在高温高压的缺陷、单独利用过氧乙酸预处理杨木纤维存在反应时间长、反应温度高的缺陷，而且现有技术中并未存在过氧乙酸与金属盐协同预处理杨木纤维的相关研究，本专利技术创造性的在水热蒸煮的基础上引入过氧乙酸协同三氯化铁金属盐预处理杨木纤维，利用过氧乙酸能够促进木质纤维生物质的浸润、疏松的特性，同时还能够降低后续水热反应所需的活化能。选用固体FeCl3作为催化剂，与过氧乙酸组成混合溶液，通过Fe3+和过氧乙酸的协同作用去除杨木纤维中的半纤维素，再配合水热蒸煮的作用，实现了杨木纤维的高效预处理，去除大多数半纤维素而促使更多的木糖溶出，暴露出更多的酶可接触位点，有利于后续酶解发酵产乙醇。在具体实施过程中，当反应体系中的过氧乙酸和三氯化铁浓度过高时，会导致反应体系中的葡萄糖、木糖等单糖产物进一步降解，且高浓度的过氧乙酸和三氯化铁还会对纤维素酶具有刺激和抑制作用从而影响后续的酶解效果。若过氧乙酸和FeCl3的浓度过低的浓度过低，首先会导致杨木纤维无法完全浸润，其次是被部分浸润的杨木纤维也无法完成催化降解，导致杨木纤维中半纤维素的脱除效果不理想。当过氧乙酸的体积浓度为5v％～40v％、三氯化铁在混合物料中的浓度为0.05mol/L～0.4mol/L时，两者能够达到最佳的协同效果，实现杨木纤维的高效降解预处理，且反应混合液中木糖浓度最高可达到4.63mg/mL。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，通过在杨木纤维预处理过程中加入过氧乙酸和三氯化铁金属盐，可以在常温常压下进行水热反应，提升杨木纤维中半纤维素在水热反应过程中的降解溶出率，得到半纤维素含量少且疏松多孔的固体产物。本专利技术使用的过氧乙酸是常用作消毒剂，FeCl3作为一种金属盐催化剂，无生物毒性，用量少，不会产生环境污染、对环境友好。本专利技术的方法与传统的预处理方法相比较，降低了预处理能耗，减少了大量化学品的使用，同时降低了环境污染，具有成本低、操作简易的特点，而且具有较强的实用性，易于推广和实现产业化。2、本专利技术的水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，通过在水热过程中加入过氧乙酸和金属盐提升了杨木纤维预处理效果。具体地，过氧乙酸相比较于其他氧化剂(如过氧化氢)对杨木半纤维素降解具有更加明显的效果。FeCl3比其他种类的金属盐离子(如Ca2+、Mg2+、Al3+、Zn2+等)具有更加显著的去除杨木半纤维素的效果。通过过氧乙酸和三氯化铁金属盐的协同作用，进一步提升水热蒸煮效果，去除杨木纤维中的大多数半纤维素，促使更多的木糖溶出，暴露出更多的酶可接触位点，有利于后续酶解发酵产乙醇。附图说明图1为不同浓度的过氧乙酸预处理杨木纤维后反应混合液中木糖和葡萄糖的浓度含量图。图2为不同浓度的FeCl3预处理杨木纤维后反应混合液中木糖和葡萄糖的浓度含量图。图3为不同的水热反应温度下反应混合液中木糖和葡萄糖的浓度含量图。图4为使用不同种类的金属盐预处理杨木纤维后反应混合液中木糖和葡萄糖的浓度含量图。图5为不同预处理方法得到的杨木放大1000倍的扫描电镜图，其中，图5a为杨木原料的扫描电镜图，图5b为120℃纯水蒸煮20min后的杨木扫描电镜图，图5c为实施例4中的杨木扫描电镜图。具体实施方式以下结合说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、取干燥的杨木屑原料，经研磨破碎后过筛，得到杨木粉；/nS2、称取步骤S1得到的杨木粉，加入过氧乙酸溶液，超声震荡，静置，得到物料混合液；/nS3、在步骤S2得到的物料混合液中，加入固体三氯化铁，混合均匀后得到混合物料，静置，转移到反应容器中，加热，进行水热反应；/nS4、将步骤S3得到的反应产物进行固液分离，完成杨木纤维的预处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取干燥的杨木屑原料，经研磨破碎后过筛，得到杨木粉；
S2、称取步骤S1得到的杨木粉，加入过氧乙酸溶液，超声震荡，静置，得到物料混合液；
S3、在步骤S2得到的物料混合液中，加入固体三氯化铁，混合均匀后得到混合物料，静置，转移到反应容器中，加热，进行水热反应；
S4、将步骤S3得到的反应产物进行固液分离，完成杨木纤维的预处理。


2.根据权利要求1所述的水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，其特征在于，所述步骤S1中，过筛的目数为40～60目，杨木粉的含水率为5％～6％。


3.根据权利要求1所述的水热-过氧乙酸金属盐协同预处理杨木纤维的方法，其特征在于，所述步骤S2中，过氧乙酸溶液的体积浓度为5v％～40v％。


4.根据权利要求1所述的水热-过氧乙酸金属盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈介南，周永财，詹鹏，卿彦，张林，刘进，黄一磊，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43