半纤维素生产燃料乙醇的热水预抽提技术

过稀酸水解 、 发酵制得 乙醇 。剩余物料仍用 于制浆
造 纸。
乙醇［ ｌ ａｄａ等人研 究发 现随着 热水 抽提 温度 升 ４ ｅ ｎｒ １ 。Ａ ｘ
热水 预抽 提破 坏 了半纤 维 素上 的 乙酰基 、 醛 酸 糠
取代物等 ， 生成乙酸及其他有机酸 ， 乙酸等有机酸 的 形 成 有助 于 打破纤 维 原料 细胞 壁 的醚键 连 接 ， 低 聚 对 糖 的形成及去除起到 了催化作用。另外 ， 温度显著影
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 全球 的资源短缺 与能源危机 ， 生物质资 源 由于其可 再生 性和环保 性而越来越受到人们 的重视 。 制浆造 纸行 业是木质生物质 资源 的主要利用途 径之一 ， 但 是 ，长期 以来 除了纤 维素纤维用于制浆 造纸外 ， 在 化 学法 制浆 过程 中 ，分别 占植 物纤 维原料 质量 约 ２ ％和 ３ ％的半 纤维素 和木素会 被溶解 到蒸 煮废 ０ ０ 液 中 。 蒸 煮 废 液 通 常 是 通 过 碱 回收 系 统 燃 烧 ， 来 用 生产蒸 汽、 电能和 回收氢氧化钠等化学药 品。 但是 ， 半纤 维素 的燃烧值很低 ，远低于木素 的燃烧 值 ， 半 纤维 素没有得 到有效利用 。 近年来 ， 随着生物质精炼技术的发展 ， 对木质生 物质原料 中半纤维素的分离利用 ， 如发酵制取燃料 乙 醇等产物的研究越来越受到研究者的重视。 目 ， 前 半 纤维素生物精炼的新模式是在传统的蒸煮前 ， 通过预 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 、 酵制 取 乙醇 或直 接 提 发 取乙酸等化学 品； 抽提后的植物纤维原料仍可用于制 浆 造纸 。 热 水 预抽 提技 术具 有 成本 低 ，对 环境 无 污染 ， 能 耗低 ， 半纤维素的水解率和 回收率高等优点 ， 是近年 来研究的热点。 开展制浆造纸与生物质精炼相结合的 研究对我国植物纤维资源的高效利用 、 环境保护以及 提高制浆造纸产业的经济效益都具有现实和长远 的 意 义【 Ｉ １ 。
半纤维素是 自然界含量第二丰富的糖类资源。 充 分利用木质生物质 中的半纤维 杨恒 ， １８ 一 ， 男，９ ４ 陕西科技 大学造纸 学院， 在读硕 士研 究生， 究方向 ： 研 生物技 术 与制 浆造纸。
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工 艺与技 术
２ １ 年 第 ２期 ０１
工 艺 与 技 术
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串钎维索生产燃料Ｚ醇的热小预抽提按市
杨恒
摘
张素风
陕西科技 大学造纸工程学院 陕西 西安
（１０ １ ７０２ ）
要： 结合 生物质精炼的理念 ， 可以在植物纤维原料 蒸煮之前 ， 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
１ 热水 预抽 提 技术概 述
精 炼 的热 点 。蒸 煮前 通过 预处 理 提取半 纤 维素 ， 是 这
目前结合 制浆造 纸工 业而研 究 的生 物质精 炼 方式
之一 。
现有 的预 处理 方 法 主要 有 物理 法 、 学法 、 理 化 物 化 学 法 和生 物 法 。物理 预处 理 方 法 主要 包 括 机 械 粉
碎、 微波和超声波预处理、 蒸汽爆破和热水预抽提等 。
化 学预 处 理方 法 主要包 括 酸水 解 、 碱水 解 、 臭氧 法 、 有
机溶剂法等。物理化学法主要包括氨爆破法 ．Ｏ 爆 Ｃ 破法等。 生物法预处理主要是通过真菌降解植物纤维 原料中的木质素 ， 前研究得最多的是白腐菌。 目 上 述诸 多方 法 中 ， 机械 粉碎 和蒸 汽爆 破会 破 坏 纤 维结构 ， 运行成本也较高。 微波处理法设备投资昂贵。 化学法预处理也存在一定 的局限性 ，如操作危险性 强、 环境污染大、 能耗高 、 反应时间长 、 反应装置的耐 腐蚀要求高等。生物法预处理 由于酶的成本高、 活性 低， 难以大规模商业化运用。而热水预抽提法不使用 酸 ，所 以不 需使 用 化学 药 品进行 缓 冲与 中和处理 ， 降 低 了成本 ， 环境无 污染 。在 热水 中蒸 煮时， 颗粒 对 物料 会发生破裂 ， 不需对物料进行 降低颗粒大小的粉碎处 理， 能耗较少 ， 半纤维素的水解率与回收率高 ， 并且水 解产物中中性残余物数量少。因此 ， 热水预抽提技术 具有很 好 的发展 前 景 。 热水预抽提实质上是稀酸处理法的演绎。 在高压 下， 水仍可 以维持液态 ， 其介电常数 随温度的升高而 增大 ， ２０ 在 ０ ℃时， 纯水 的 ｐ Ｈ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 ， 除半纤 去 维素。通过优化热水预抽提的工艺参数 ， 在抽提半纤 维素的同时 ，可 以尽 量使纤维素和木素保 留在物料 中。热水抽提液中的半纤维素经过膜分离后 ， 以通 可
响液 态 热 水 的介 电常数 ， 高温 作 用 下 ， 也 起 到 了 在 水 酸 的作用 。多聚糖 特 别是 半纤 维 素 ， 以被 水解 生 成 可 单糖 ，而酸 的存 在会 使部 分单 糖进 一 步水 解为 醛 ， 主 要是 戊 糖 中的糠 醛 以及 六 碳 糖 中的 ５ 一羟 甲基 糠 醛 ， 它们对 微 生物 的发 酵都有 抑制 作用 。因此 ， 用碱 （ 采 如
高， 半纤维素 的提取率提高， 但多聚糖的分子量变小 ， 半纤 维素 受破 坏程 度 提高 圄 。西 班 牙穆 尔西 亚大 学 将 玉米 秆粉 碎处 理后 ， 其进 行不 添 加任何 化 学物 质 的 对 热水预处理 ， 可获得木糖的最大产率 为 ５％， ３ 而葡萄 糖产率不超过 ８ ６ ｈｒ ｓ ％ｔ ］ 。Ｃ ａ ｅ 等人研究 了用稀硫酸从 ｌ 玉米杆中抽提部分半纤维素 ， 通过氨水控制抽提液的 ｐ Ｈ值【 ７ Ｊ 。另外 ， 有研究显示 ，０ ～ ３ ￣的高压水和生 ２０ ２０Ｃ 物 质混合 １ｍｉ ５ ｎ以后 ，０ ６ ％ 的生物 质被 溶解 ， ４ ％～０ 其 中包括 ４ ２ ％ 的纤维 素 、５ ６ ％ 的木 质素 以及 ％一 ２ ３ ％一 ０ 所有 的半纤 维 素 。预 处理 时 间为 ２ ｉ， ｍｎ 蔗渣 的热水 预