CN102382908B - 一种等离子体电解分解纤维素制备糖的方法 - Google Patents

一种等离子体电解分解纤维素制备糖的方法 Download PDF

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一种等离子体电解分解纤维素制备糖的方法，具体步骤如下：(1)将纤维素原料经粉碎后加水，配成纤维素质量浓度为1～20％的混合液；(2)在上述纤维素水混合液中加入电解质，配成电导率为0.03～0.1S.m-1的纤维素电解液；(3)将上述电解液进行等离子体电解，电解电压为300～1500V；(4)电解后的混合物经分离提纯，得到糖。本发明克服了常见酸水解技术中酸消耗量大，过程处理工艺长的缺点。该方法制得的糖量高、不需任何催化剂、对环境无污染，并且在处理纤维素类生物质时可不经过预处理直接进行水解，从而简化生产工艺、成本低。

Description

一种等离子体电解分解纤维素制备糖的方法
技术领域
本发明涉及一种纤维素分解技术，具体是指一种以等离子体电解方式分解纤维素，将纤维素中的糖苷键打断，生产低聚糖或单糖的方法。
背景技术
纤维素来源广，资源丰富，是未来替代石油做燃料和化学品的重要的潜在开发对象。而纤维素通过物理化学方法转化水解制糖是纤维素利用的一个重要技术手段。目前，纤维素水解为单糖的主要方法有酸水解法、酶水解法和超临界水解法。其中酸水解法又包括稀酸（0.5%～2%）和浓酸水解两种。稀酸水解有利于半纤维素水解得到的糖量高、催化剂成本低、易于中和，但是反应需要较高的温度，半纤维素水解产物五碳糖易在催化下进一步降解（糠醛），纤维素产糖率低，仅为理论值的50%～60%，且伴随反应产物会发生降解。用浓酸处理纤维素，在常温常压下进行，纤维素易于水解，糖产率高，副产物少，工艺成熟。但浓酸腐蚀性强，回收困难，产生大量的酸废水。酶水解法相对于酸水解法而言，其优点有反应条件温和、产品无毒副作用，降解率高，不需要酸回收；缺点为速度慢、操作分离工艺复杂、酶生产成本过高。超临界水解法有其显著的特点是水解速率快、水解产率高、可不需任何催化剂、对环境无污染，并且在处理纤维素类生物质时可不经过预处理直接进行水解，从而简化工艺；但是这种技术在应用于工业化生产方面面临着很大的困难，主要是生产装置的设计（高温高压、进样速度快、冷却时间）、能耗的降低、反应条件的控制等问题。
发明内容
本发明专利针对纤维素降解存在的上述问题，提出一种等离子体电解降解纤维素的方法。本发明借助等离子体电解技术，利用等离子体电解过程中产生的高能粒子和水分子分解产生的OH自由基等强氧化性基团共同作用于纤维素分子的糖苷键上，使其分解产生糖。等离子体电解过程电解质浓度仅为0.01%～0.1%，电解质可以是酸也可以是碱，克服了常见酸水解技术中酸消耗量大，过程处理工艺长的缺点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种等离子体电解分解纤维素制备糖的方法，具体步骤如下：
(1)将纤维素原料经粉碎后加水，配成纤维素质量浓度为1～20%的混合液；
(2)在上述纤维素水混合液中加入电解质，配成电导率为0.03～0.1S.m-1的纤维素电解液；
(3)将上述电解液进行等离子体电解，电解电压为300～1500V；
(4)电解后的混合物中含有纤维素分解产生的糖，经分离提纯，得到糖（单糖及低聚糖）。
优选地，步骤(2)所述电解质是在水中溶解度较大的酸、碱或盐。
优选地，所述电解质为KOH、H2SO4或FeCl2。
优选地，其特征在于，步骤（3）所述电解时间为10～120分钟。
优选地，步骤(1)所述纤维素原料指含纤维素的生物质、废纸张或经加工得到的高纯度纤维素。
优选地，所述含纤维素的生物质为秸秆，所述高纯度纤维素为微晶纤维素。
优选地，所述纤维素原料颗粒为100～1000目的颗粒。
所述等离子体电解包括阳极等离子体电解和阴极等离子体电解：当阳电极电解面积小于阴极电解面积时，辉光放电等离子体一般在阳极产生，为阳极辉光放电电解；当阴极电解面积小于阳极电极面积时，辉光放电等离子体一般在阴极产生，为阴极辉光放电电解。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明借助等离子体电解技术，利用等离子体电解过程中产生的高能粒子和水分子分解产生的OH自由基等强氧化性基团共同作用于纤维素分子的糖苷键上，使其分解产生糖。等离子体电解过程电解质浓度仅为0.01%～0.1%，电解质可以是酸也可以是碱，克服了常见酸水解技术中酸消耗量大，过程处理工艺长的缺点。该方法制得的糖量高、不需任何催化剂、对环境无污染，并且在处理纤维素类生物质时可不经过预处理直接进行水解，从而简化生产工艺、成本低。
附图说明
图1为等离子体电解分解纤维素制糖工艺路线；
图2为电解液的高效液相谱图。
具体实施方式
通过如下实施例和附图对本发明作进一步详述，但本发明的实施例不仅限于此。
实施例1
以一般电解槽为等离子体电解反应器。
步骤一、以微晶纤维素为原料，将微晶纤维素与水按质量比1:9的比例混合成含10%纤维素的混合液；
步骤二、将KOH固体加入上述混合液中，配制成电导率为0.05S.m-1的纤维素电解液；
步骤三、对上述纤维素电解液在800V电压下进行阴极等离子体电解，处理1小时，电解过程中产生的高能粒子和水分子分解产生的OH自由基等强氧化性基团共同作用于纤维素分子的糖苷键上，使纤维素分解，得到含1.7%葡萄糖、0.2%甘露糖、0.2%木糖和0.8%***糖的溶液，图2为电解液的高效液相谱图保留时间为23.2分钟的物质峰为葡萄糖峰；
步骤四、将上述含糖溶液分离纯化，得到较纯的糖。
实施例2
步骤一、以秸秆为原料，将秸秆粉碎成150目的细粉，并与水按质量比1:4的比例混合成含20%纤维素的混合液；
步骤二、将FeCl2固体加入上述混合液中，配制成电导率为0.1S.m-1的纤维素电解液；
步骤三、对上述纤维素电解液在700V电压下进行阳极等离子体电解，处理2小时，电解过程中产生的高能粒子和水分子分解产生的OH自由基等强氧化性基团共同作用于纤维素分子的糖苷键上，使纤维素分解，得到含0.7%葡萄糖、0.02%甘露糖、0.03%木糖和0.3%***糖的溶液；
步骤四、将上述含糖溶液分离纯化，得到较纯的糖。
实施例3
步骤一、以秸秆为原料，将秸秆粉碎成100目的细粉，并与水按质量比1:4的比例混合成含20%纤维素的混合液；
步骤二、将H2SO4溶液加入上述混合液中，配制成电导率为0.05S.m-1的纤维素电解液；
步骤三、对上述纤维素电解液在1000V电压下进行阳极等离子体电解，处理2小时，电解过程中产生的高能粒子和水分子分解产生的OH自由基等强氧化性基团共同作用于纤维素分子的糖苷键上，使纤维素分解，得到含0.97%葡萄糖、0.012%甘露糖、0.019%木糖和0.41%***糖的溶液；
步骤四、将上述含糖溶液分离纯化，得到较纯的糖。

Claims (6)

1.一种等离子体电解分解纤维素制备糖的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将纤维素原料经粉碎后加水，配成纤维素质量浓度为1～20%的混合液；
(2)在上述纤维素水混合液中加入电解质，配成电导率为0.03～0.1S.m-1的纤维素电解液；
(3)将上述电解液进行等离子体电解，电解电压为300～1500V，电解时间为1～2小时；
(4)电解后的混合物经分离提纯，得到糖。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述电解质是在水中溶解度较大的酸、碱或盐。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解质为KOH、H2SO4或FeCl2。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述纤维素原料指含纤维素的生物质、废纸张或经加工得到的高纯度纤维素。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述含纤维素的生物质为秸秆，所述高纯度纤维素为微晶纤维素。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述纤维素原料为100～1000目的颗粒。
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