纤维素提取分离技术研究进展_高璇

　第２８卷第２期

２０１２年４月

德州学院学报

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄｅｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２

Ａｐｒ．，２０１２

　纤维素提取分离技术研究进展

高　璇１，陆书明２

（１．江苏省科学技术情报研究所，南京２１００４２；２．南通醋酸纤维有限公司，江苏南通２２６０００）

摘　要：纤维素是一种丰富的生物质资源，具有可再生、可降解等优点，其转化和利用被认为是发展可持续能源的有效途径．本文从近几年的国内外科技文献（尤其是专利）入手，研究并综述了从天然纤维素原料中分离提取纤维素的工艺，分析并指出实现清洁分级分离纤维素、木质素、半纤维素，做到木质纤维素全生物量优化利用才是组分分离的未来．

关键词：纤维素；提取；分离

中图分类号：Ｎ９９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－９４４４（２０１２）０２－００６９－０４

收稿日期：２０１２－０３－１５

作者简介：高璇（１９８３－），女，山东滨州人，硕士，研究方向：科技情报研究、专利分析与战略决策．

１　纤维素概述

纤维素（ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）是自然界中存在量最大的一类有机化合物，木材、亚麻、棉花等的主要成分都是纤维素．它是植物细胞壁的主要成分，是构成植物的骨架．纤维素是无色、无味具有纤维状结构的多糖，分子式可以用（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５）ｎ（ｎ为聚合度）来表示，组成纤维素的基本结构单元是葡萄糖，但与淀粉不同，它是由许多Ｄ－葡萄糖单元通过β－１，４糖苷键结合起来的链状高分子化合物．纤维素是目前制浆造纸工业、纺织工业和纤维化工的重要原料，纤维素形式的生物质能也将作为日后重要的清洁能源［１］．

２　纤维素提取分离技术

木质纤维类材料如各种农业残余物（玉米秸杆、小麦秸杆、稻草等）、林业残余物（伐木产生的枝叶、死树、病树等）、野草、芦苇、专门栽培的作物（如松、杨、甘蔗、甜菜、甜高梁等）以及各种废弃物（城市固体垃圾、废纸、甘蔗渣等）都是含有大量纤维素的天然纤维素原料，如果能从其中提取出优质的纤维素应用于工业生产中将会产生巨大的经济效益和生态效益．

但是，纤维素、半纤维素和木质素本身均是具有复杂空间结构的高分子化合物［１］，在天然纤维素原料中，它们聚合为一个整体，形成复杂的超分子化合物．其中，木质素大部分存在于胞间层中，和半纤维素形成牢固结合层，对纤维素形成覆盖保护作用．因此，要想获得纤维素并充分利用，就必须将三种组分分离开来，实现纤维素的有效提取．

根据所使用方法的不同性质，纤维素提取工艺可分为物理处理法和化学处理法．在实际应用中，大多是采用两种或两种以上方法的组合，以取长补短，发挥各自优势，改善纤维素分离提取的效果．２．１　物理处理法

物理处理法主要包括机械粉碎、蒸汽爆破、微波和超声波辅助提取法等，一般用于纤维素提取的预处理工艺或是辅助工艺，其目的是去除木质素等对纤维素具有保护作用的成分［１］．

１）机械粉碎法

机械粉碎［１］常用双滚压碎机、球磨机、流态能量

研磨和湿胶体磨将天然纤维素原料粉碎．物料经过微粉碎后，纤维的物理性能发生了明显的变化，物料的尺寸明显变小，结晶度降低，平均聚合度变小，物料的水溶性组分增加．

２）蒸汽爆破法

蒸汽爆破实质是一种复杂的物理和化学联合预处理过程，利用水蒸气在高温高压条件下可渗透进入细胞壁内部的特性，使之在进入细胞壁时冷凝成为液态，然后突然释放压力造成细胞壁内的冷凝液体突然蒸发形成巨大的剪切力［２］，从而破坏细胞壁结构，使得大部分的半纤维素降解和木素的软化及部分降解．汽爆处理强度是直接影响汽爆处理结果的因素，随着汽爆强度增大，半纤维素的水解程度增大，对后续的组分分离有力，但是会带来纤维素分子链的断裂，造成纤维素品质降低．

ＣＮ２０１１１０１１６０７３．３（实质审查阶段）提供了一种用于农作物秸秆纤维素提取的超声波辅助汽爆预处理工艺，预处理后的秸秆可经过后续的脱木素和漂白等处理工艺，获得高纯度的秸秆纤维素．利用超声波的机械振动、空化效应和热效应等综合作用，可在较低的汽爆强度的下提高半纤维素与纤维素的分离效率，并减少常规汽爆对纤维素分子链的破坏．３）微波辅助提取法

微波是指频率范围在３００ＭＨｚ～３００ＧＨｚ的电磁波．微波辅助提取是利用微波辐射对分子运动产生的影响，促进分子间的摩擦和碰撞．Ａｚｕｍａ等人［３］［４］发现微波辐射处理植物纤维素原料会部分降解木质素和半纤维素，增加纤维素的可及度．这种新型的预处理方法能够有效提高天然纤维素原料的化学反应和加工性，极大的缩短了反应时间，提高了生产效率．

王霞［５］等以稻草为原料，采用微波辅助碱浸提法，确定了α－纤维素提取的最佳时间、微波功率、氢氧化钠浓度等影响因素．

中国专利２００８１００７３４８０．９公开了木质纤维材料制备纤维素及羧甲基纤维素的方法，它以木质纤维为原料，先用碱性醇溶液将其溶胀碱化，加入过氧化氢，再在微波辐射下，实现木质素与纤维素分离，制备高纯度纤维素．

４）超声波辅助提取法

利用超声波的特殊效应（空化作用、机械作用和热效应）辅助分离木质素和纤维素，其原理在于：超声波产生的机械作用及空化产生的微射流对天然纤维素原料表面产生在冲击、剪切，且空化作用所产生的热量及自由基均可使大分子降解．

中国专利２００８１０１５１７３２．５涉及一种利用超声波技术分离甘草废渣中木质素和纤维素的方法，将甘草废渣中加入甲基异丙酮－乙醇－水混合溶剂制成混浊液，用超声波处理上述混浊液．木质素在超声波的作用下降解成碎片后，溶于甲基异丙酮相中，从而与纤维素分离．

中国专利２００７１０１１９１３６．４公开了一种生物质有机组分的分离工艺方法．该方法在高压反应容器中，采用微波与超声波同时作用，并根据植物不同，分别调整微波与超声波的功率和频率，再以２０体积％～７０体积％浓度的有机溶剂水溶液，分解提取生物质中组分，最终提取的纤维素纯度达到９５％以上．

２．２　化学处理法

化学处理法是应用化学制剂来打破木质素和纤维素的链接，同时使半纤维素溶解的过程．传统造纸工业的制浆过程就是采用化学方法进行处理的过程．化学处理法包括碱液分离法、无机酸处理、有机溶剂法、离子液体法等．

１）碱液分离法

碱液分离是是发现较早、应用较广的纤维素提取手段之一．碱液具有溶胀纤维素、断裂纤维素与半纤维素间氢键的作用［２］．碱法蒸煮中，使用碱液处理植物原料，常用的碱提取试剂有ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）

２

等．碱浓度的选择是碱提取过程中一个重要的环节．

李春光［６，７］等人分别对玉米秸秆和甘蔗渣纤维素的ＮａＯＨ提取工艺进行了研究，并对碱浓度、反应温度和反应时间进行了探讨，以确定既能保持纤维素提取量，又可较多脱除木质素和半纤维素的工艺条件．

中国专利２００８１０２４０３２６．６涉及一种分段式的从植物体中提取纤维素的工艺，先用低浓度的碱浸泡原料使其充分润湿和渗透，然后再加压汽蒸或蒸煮，最后打磨、洗浆提取纤维素．

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