专利名称：一种生物质选择性拆分-本征功能利用的多联产炼制方法ー种生物质选择性拆分-本征功能利用的多联产炼制方法背景技木目前，可用石油资源日益減少，而人类对石油产品需求量的日益上升，并且随着环境污染问题的突出，以及解决三农问题的迫切需要，木质纤维素生物质的资源转化已成为亟待解决的问题。尽管现在对木质纤维素资源转化的生物质炼制技术研究较多，然而木质纤维素炼制技术仍然难以产业化发展。主要是因为现有的技术体系难以突破木质纤维素产业化的经济关，即产品的价格缺乏市场竞争力。 从组分利用情况看，现有技术主要是针对木质纤维素中的単一成分转化转化为单ー产品。比如制备成单一的生物燃料文伟河的“ー种木质纤维素类生物质水解重整制备生物汽油的方法”，生物加工过程，2010,8(3) :39-39 ； Thomas B.、Garrett ThomasW.、Yeung、杨永泰的“石油炼厂加工纤维素/木质纤维素生物质原料的前景”，中外能源，2009,14(11) :68-74,将木质纤维素经过热解或热加氢转化为热解油后,在经转化为费-托烃；李世密、魏雅洁、张晓健、赵连臣、张大雷的“秸杆类木质纤维素原料厌氧发酵产沼气研究”，可再生能源，2008，(I) :50-54;高龙兰、刘玉环、罗爱香、罗洁、万益琴、阮榕生的“木质纤维素间接液化制备ニ甲醚的研究进展”，福建林业科技，2007，34(4) =264-269 ;何北海、林鹿、孙润仓、孙勇的“木质纤维素化学水解产生可发酵糖研究”，化学进展，2007，19(7) :1141-1146 ；Zhu Zhinan, Shi Jiping, Zhou Zhihua 的“Photo-fermentation ofRhodobacter sphaeroides for hydrogen proauction using 丄ignoceilulose—derivedorganic acids”， PROCESS BIOCHEMISTRY，45(12) : 1894-1898 ;DE102009040172_A1将木质纤维素转化为可燃的球体JP2009173830-A超细粉碎木质纤维素作为燃料；CN101748158-A 制备丁醇；比如制备成单一的材料汪志臣、叶娜、廖刚的“木质纤维素共聚物吸水树脂的合成研究”，精细石油化工进展，2009，(11) :12-15 ;张景强、林鹿、孙勇、庞春生的“木质纤维素发酵乳酸制备生物质塑料的研究”，橡塑资源利用，2009，(I) :3-8;刁均艳、潘志娟的“木质纤维素纤维交织物增强聚酯基体复合材料的热性能”，国外丝绸，2007,22(2) :7-9 ;范建云、王鹏、杨志勇、杨海涛、谢益民的“木质纤维素-聚氨酯共聚型高強度功能纸张的研究”，包装工程，2006，27 (I) 4-6, 27程永悦的“Santoweb木质纤维素短纤维的性能及其在轮胎中的应用”，轮胎エ业，2004,24(1) :18-29 ；US6179905-B2将木质纤维素转换为热固树胶；W02011018373-A1将木质纤维素与发泡剂和粘合剂结合制备轻质木质纤维素材料；W02010136106-A1将木质纤维素与甲醛结合制备木材产品；CN101691698_A制备纳米纤维；RU2370362-C1 制备复合材料；DE102006013016-A1 制备车用复合材料；DE102006027540-B4制备纤维板；李坚的“生物基复合材料学”，北京科学出版社，2008。比如制备成饲料马旭光、张宗舟的“混菌固态发酵玉米秸杆生产单细胞蛋白”，中国酿造，2010，(I) :26-28 ;马光、郭继平的“米曲霉发酵玉米秸杆产纤维素酶饲料的条件优化”，生物技术，2010，20 (6) :8ト85。比如制备成化学品王军的“生物质化学产品”，北京化学エ业出版社，2008;US2002123636-A1，将木质纤维素中的纤维素成分转化为羟甲基糠醛。比如制备成肥料DE2401878-A和 CN1807362-A。比如制备成其他单ー产品梁慧玲、张伟、王晶的“碱处理强度对木质纤维素吸附茶儿茶素类和咖啡碱的影响”，中国茶叶，2009，(7) : 19-21。其中纤维素こ醇研究转化较多，但由于纤维素只占原料的30%左右，因此即使转化率达到100%，约70%的原料成本都会计入到こ醇中，从而导致产品的价格高，缺乏市场竞争力。其他纤维素产品，如结晶纤维素、纤维素酶、纺织纤维等；木质素产品，如减水剂、分 散剤、香兰素等；半纤维素产品主要是糠醛，如果只是走单ー产品的技术路线，都存在同样 的问题。在单ー产品理念的引导下，充分利用其中ー种组分时，其他组分作为废弃物甚至成为污染物排放，是不符合原子经济性原则的。从组分的转化方式看，现有的技术首先需将木质纤维素进行完全组分分离，然后彻底降解后再转化为化工产品，比如酶解发酵エ艺及热解エ艺，这样的拆分与合成过程耗能高，从而也导致了木质纤维素产业的成本较高而难以エ业化。而实际上，木质纤维素作为功能大分子体，含有一定的功能性成分和功能结构。其中，功能性成分现在已经开发的主要是纤维素、半纤维素和木质素，而功能性结构中，比如纤维素的结晶与非结晶结构，木质素和半纤维素中的功能性官能团，在木质纤维素转化中还没有得到相应的重视。针对以上木质纤维素组分利用単一，功能性结构没有充分利用的问题，本课题组提出生物质选择性拆分-本征功能利用的多联产炼制方法，充分力利用其组成结构特点，提高木质纤维素转化的价值，以突破木质纤维素产业的经济关。
(3)据原料特点及确定的产品，设计预处理及转化工艺路线。エ艺路线的设计首先要适合原料和产品的要求；其次是，能够充分发挥原料中多种功能性成分和结构的转化要求，即ー种产品开发的同时最大限度地保留其他组成结构的转化价值；最后转化工艺的清洁、高效、经济、可操作。采用本发明所提供的生物质选择性拆分-功能利用的多联产炼制方法，其优点在于I、能耗低，与其他生物质炼制方式相比，不是将生物质大分子完全组分分离并降解为小分子物质，然后再转化为相应的生物基产品，而是根据原料特性和最适产品的要求，进行选择性的拆分；2、组分结构充分利用，不同于其他生物质炼制方式，将所有的生物质视为相同，而是根据各种生物质的特点，即组成和结构特点，根据人类发展的真正需要，确定最适合的产品，充分发挥原料本身的组成结构特点； 3、原子经济性高，不同于其他的生物质炼制方式，尽可能将生物质中的组分转化为相应的产品，生产过程中没有废弃物的排放，符合生态エ业的要求；4、产品成本低，不同于其他炼制方式，只是利用原料中的ー种组分，比如纤维素，而忽略其他成分的利用，因此，由于产品単一，使得所有的原料费用和生产过程成本都归于此产品而导致成本太高难以エ业化；5、产品性能高，由于生物基产品是基于原料特性确定的最适产品，与其他的生物质炼制模式相比，产品的性能更加满足需求且品质较高。 图I是甜高粱的选择性拆分-本征功能利用图。
图2是葛根的选择性拆分-本征功能利用图。
图3是竹子的选择性拆分-本征功能利用图。
图4是大麻韧皮纤维的选择性拆分-本征功能利用图。
图5是盐肤木果的选择性拆分-本征功能利用图。
图6是玉米秸杆的选择性拆分-本征功能利用图。
图7是稻草的选择性拆分-本征功能利用图。
图8是麦草的选择性拆分-本征功能利用图。

I.5-2. Omm,宽度一般在15-18 u m,纤维壁厚，所有草类造纸原料中，竹类纤维壁最厚。竹浆的导管分子一般较大，长度在300-120 u m。产品充分利用竹纤维较长的本征特点，形成以竹原纤维、こ醇、木质素、造纸竹纤维、低聚木糖和发电残渣为产品的エ艺路线。エ艺路线图如图3所示。首先通过汽爆水洗，选择性地将其中半纤维素转化低聚木糖，提高原料的利用率，同时将紧密的结构疏松。利用竹纤维长度不同的本征特点，通过机械分梳，将分级到的的薄壁细胞分离，同步糖化固态发酵转化为こ醇；分级到的长纤维再次经过机械分梳得到长纤维用于制备竹原纤维，而此次得到的短纤维中含有大量的木质素，因此采用こ醇自催化法提取其中木质素的同时，将较长的纤维细胞转化为竹浆。大麻韧皮纤维选择性拆分-本征功能利用大麻韧皮纤维的组成结构特点大麻的纤维长度平均为20mm，宽度20 U m,纤维壁厚。产品充分发挥其纤维长度的本征特性，形成以麻纤维、沼气和发电为产品的エ艺路线。エ艺路线图如图4所示。本エ艺首先通过汽爆，使得紧密的结构疏松，并将其中的半纤维素降解为可发酵的单糖。然后根据纤维细胞较长的本征特点，经过机械分梳分离得到的长纤维部分用于制备麻纤维，而得到薄壁组织级分通过同步糖化发酵制备乙醇。盐肤木果选择性拆分-本征功能利用盐肤木果的组成结构特点盐肤木果的含油率多在15-20%，其中果皮和果仁的含油量大于20%，种皮含有少量的油脂。其中盐肤木果中含有5种主要脂肪酸，分别为棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸。盐肤木果脱脂后的柏中含有2. 5-3%的黄酮，其中种皮中含有黄酮最高，约为3%。种仁中蛋白质含量为29%，提取油脂后，种仁柏的蛋白质含量提高到38%。产品充分利用盐肤木果油含量高且具有营养价值的本征特点，形成产品盐肤木果油、盐肤木果黄酮、乙醇、蛋白纤维，其中乙醇用于回流浸提油柏。工艺路线图如图5所示。·此工艺充分利用盐肤木中的各种高含量功能成。首先通过汽爆水洗降解分离其中的糖分，并将其通过发酵制备乙醇；同时汽爆使得物料结构疏松，然后通过己烷溶剂将果仁中的果油提取出。得到的油柏采用乙醇回流可得到其中的黄酮成分，而提取渣再经过气流分级将具有不同质量的种皮与果皮种仁分开，前者经过热处理和活性炭吸附制备盐肤木果油，后者可用于制备再生蛋白纤维。玉米秸杆选择性拆分-本征功能利用玉米秸杆的组成结构特点玉米秸杆中杂细胞含量达70%，且不同部位纤维细胞的平均长度在O. 64-1. 29mm,比较分散且较小麦和稻草短。产品由于玉米秸杆属于大宗产品，因此将其中的三个组分充分利用半纤维素用于发酵制备丙酮丁醇乙醇，纤维素用于制备聚醚多元醇，木质素用于制备酚醛树脂。工艺路线图如图6所示。首先通过汽爆水洗，将玉米秸杆中的半纤维素组分分级分离，通过发酵转化为丙酮丁醇乙醇。水洗得到的固体残渣中含有分离的薄壁细胞和维管组织级分，根据其长度不同的本征特点，通过机械分梳，将其分离为维管组织级分和薄壁组织级分。其中，薄壁组织积分中主要含有纤维素，因此将其转化为聚醚多元醇材料。而维管组织级分中含有纤维细胞和导管，因此木质素含量较高，通过碱法提取其中的木质素后，将得到含有大量纤维细胞的残渣用于制备瓦楞纸。稻草选择性拆分-本征功能利用稻草的组成结构特点稻草在草类原料中纤维较短而细，平均长度为1mm，宽度约8 μ m，杂细胞约占总细胞面积的50%以上，纤维细胞占总细胞面积的46%，灰分含量在10-15%，其中60%以上为SiO20产品通过汽爆-超细粉碎，将稻草中的表皮细胞分离，用于制备纳米二氧化硅，而纤维细胞和薄壁细胞用于酶解发酵制备丙酮丁醇乙醇。工艺路线图如图7所示。汽爆首先使得不同的组织之间相互分离，然后通过粉碎和超细粉碎达到细胞的分离，由于表皮细胞由角质相连，因此难以分离为单个细胞，而在超细粉碎中与薄壁细胞分离，进而将其中的硅细胞用于制备纳米二氧化硅。而粉体中的纤维细胞和薄壁细胞通过酶解发酵制备丙酮丁醇乙醇，发酵渣可作为肥料。麦草选择性拆分-本征功能利用麦草的组成结构特点与稻草纤维相比，小麦草纤维较长而粗，长度在1-1. 5mm之间。纤维细胞占总细胞面积的62%，表皮细胞占总细胞面积的2.3%。产品充分利用小麦中纤维细胞较长，且含量高的特点，将纤维细胞用于制备制浆，由于表皮细胞的含量较少，因此对于薄壁细胞酶解的屏障作用较弱，因此将薄壁细胞用于酶解发酵制备丙酮丁醇乙醇，发酵渣用于制备生物饲料。工艺路线图如图8所示。首先通过汽爆使麦草中的组织相互分离，根据维管组织和薄壁组织长度上的不 同，通过机械分梳分为维管组织级分和薄壁组织级分。维管组织周围的纤维细胞在汽爆过程中相互分离，因此可直接用于制备瓦楞纸。而薄壁组织级分中纤维素含量较高用于酶解发酵制备丙酮丁醇乙醇，发酵渣用于制备生物饲料。


本发明涉及一种生物质选择性拆分-本征功能利用的多联产炼制方法，属于木质纤维素资源化应用领域。主要步骤包括分析原料纤维细胞和组分的本征特点，包括结构和含量；确定能够利用此本征特点的相应产品，包括燃料、材料、饲料、肥料和化学品；建立选择性地拆分其不同组织结构和成分的工艺路线，以实现其组成结构的功能性应用。本发明确定的木质纤维素炼制工艺路线能耗低、组分结构充分利用、原子经济性高、产品成本低、性能高。