木质纤维素化学方法预处理

1、Chemical Pretreatment化学方法预处理 董晓晨2014-10-8木质纤维素原料生产乙醇一、Chemical Pretreatment1. Ozonolysis （臭氧分解）（臭氧分解）Advantages（优点）（优点）: (1) it effectively removes lignin; 有效去除木质素 (2) it does not produce toxic residues for the downstream processes; 不产生有毒残留物(3) the reactions are carried out at room temperature and p

2、ressure. 在室温和常压下进行反应But, a large amount of ozone is required, making the process expensive. （缺点：成本高昂）一、Chemical Pretreatment2. Acid hydrolysis （加酸水解）（加酸水解）浓酸如浓硫酸和浓盐酸可以有效地降解木质纤维素原料，但是浓酸有毒有害且腐蚀性强，同时必须回收来降低成本。稀酸水解处理木质纤维素原料的方法也已经开发成功。目前稀酸水解工艺已经可以实现较高的木聚糖转化为木糖的产率。主要有两种类型的稀酸预处理工艺： （1） high temperature (T

3、greater than 160), continuous-flow process for low solids loading (510% ). 高温、低固相体积分数的连续过程 （2）low temperature (T less than 160), batch process for high solids loading (1040%). 低温、高固相体积分数的批量过程 稀酸水解成本比某些物化处理过程如气爆要高，且下游需要进行pH中和。一、Chemical Pretreatment3. Alkaline hydrolysis （加碱水解）（加碱水解）机理：木聚糖半纤维素和其他组分分子

4、间交联酯键的皂化反应。预处理效果取决于木质素含量。Dilute NaOH treatment of lignocellulosic materials caused swelling, leading to an increase in internal surface area, a decrease in the degree of polymerization, a decrease in crystallinity, separation of structural linkages between lignin and carbohydrates, and disruption of

5、 the lignin structure. 稀NaOH处理使原料溶胀，内表面积增加，结晶度与聚合度降低，木质素结构分离破坏。Ammonia was also used for the pretreatment to remove lignin. 氨也用于处理木质素。一、Chemical Pretreatment4. Oxidative delignification（氧脱木素）（氧脱木素）Azzam. (1989)：About 50% lignin and most hemicellulose were solubilized by 2% H2O2 at 30 within 8 h, and

6、 95% efficiency of glucose production from cellulose was achieved in the subsequent saccharification by cellulose at 45 for 24 h. 蔗渣在过氧化氢处理后，约50%的木质素和大多数半纤维素被溶解，且在糖化过程中得到了95%的葡萄糖。Bjerre et al. (1996) used wet oxidation and alkaline hydrolysis of wheat straw (20g straw/l, 170, 510 min), and achieved

7、85% conversion yield of cellulose to glucose. 用湿法氧化法和加碱水解法处理麦秆，使纤维素转化为葡萄糖的产率达到了85%。一、Chemical Pretreatment5. Organosolv process（有机溶剂法）（有机溶剂法）利用有机或含水有机溶剂混合物加无机酸催化剂来破坏内部木质素与半纤维素的化学键。利用的有机溶剂包括：甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、三乙烯乙二醇和四氢糠醇。有机酸如草酸、乙酰水杨酸和水杨酸等可用于此过程中的催化剂。高温下（above 185）不必加入催化剂。通常，加酸可以得到较高的木糖产量。溶剂经过蒸发、浓缩后回收，降低成本

8、。后续过程中需将溶剂去除，以免抑制微生物活性。Organosolv Process 有机溶剂法Organosolv Process木质素木质素是聚酚类的三维网状高分子化合物，其基本结构单元为苯基丙烷，共有三种基本结构，即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。木质素木质素是一种聚合体，结构中存在很多极性基团，尤其是较多的羟基，形成了很强的分子内和分子间氢键，使木质素不容易一般的溶剂。木质素木质素的分子结构中存在芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、共轭双键等活性基团，可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解、光解、生物降解、酰化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或共聚等许多化学反应。Orga

9、nosolv Process半纤维素半纤维素是由几种不同类型的五碳糖和六碳糖构成的异质多聚体，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖等。半纤维素半纤维素具有亲水性，其中有一小部分易溶于水，大部分不溶于水。某些半纤维素易溶于碱液，某些则易溶于酸液。纤维素纤维素是由葡萄糖分子通过-1,4-糖苷键连接而形成的葡聚糖，常温下不溶于水及一般有机溶剂，如乙醇、乙醚、丙酮等。它也不溶于稀碱溶液。纤维素纤维素能溶于铜氨溶液和铜乙二胺溶液等。水可以使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可以渗入纤维结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。Organosolv Process木质素木质素分离提取的方法大致可以分为两大类：一类是将木质素以外的成分溶解，木质素作为不溶物质沉淀下来；另一类是利用溶剂将木质素溶剂，从而使木质素与纤维素分离，得到木质素。有机溶剂法有机溶剂法提取木质素主要是利用有机溶剂（或和少量催化剂共同作用）良好的溶解性和易挥发性，分离、水解、溶解木质素，使得木质素与纤维素高效分离。 有机溶剂法有机溶剂法提取木质素的研究最早开始于造纸行业。Organosolv Process有机溶剂处理酸催化有机溶剂法最为常用。有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮