本发明涉及生物质化学化工技术领域，特别是涉及一种基于低强度蒸汽爆破用生物质制备木质纤维素的方法。
背景技术：
随着世界工业化的发展，石油作为主体燃料及化学品的原料，其需求量急剧增加，能源的短缺问题日益加剧，同时化石能源对环境造成了严重的破坏。所以，研究与寻找环境友好的石油能源替代品成为世界技术开发的重要方向之一。与燃烧化石燃料所产生的能量相比，生物质能源被称为二氧化碳中和燃料，因为消耗一定量的生物质能源所排放的二氧化碳量与这些生物在最初形成的时候从大气中所吸收的二氧化碳的量是相同的，这对减少对大气的污染及抑制温室效应意义重大。
燃料乙醇由于其成熟的生产应用技术和丰富的原料来源成为世界各国首选的生物质能源，但传统的燃料乙醇生产以粮食为原料，虽属可再生资源，但其生产受到粮食产量的限制，难以长期满足能源需求。产量大、来源广的木质纤维质原料就成了人们关注的焦点。
由于木质纤维素具有木质素、纤维素、半纤维素相互包裹的复杂结构，并且纤维素本身具有稳定的结晶结构，直接利用纤维素酶催化降解纤维素生产乙醇时难于分解，纤维素酶的作用效率低，因此必须对原料进行预处理再降解，纤维素酶的作用效率与预处理工艺密切相关。
蒸汽爆破法作为一种物理化学方法，是近年来发展较快、较有效、低成本的木质纤维高效预处理技术，蒸汽爆破过程是使纤维素先受水膨润并且水浸入到纤维深处，再在密闭的容器中受到高温加热，形成水蒸气产生蒸汽压，再急剧下降到一个大气压，从而导致纤维素超分子结构的破坏，增加分子内氢键的断裂程度。蒸汽爆破法制浆已实现工业化。研究表明秸秆比木材更易水解或降解，因此木材蒸汽爆破强度一般要高于秸秆。
在目前报道的蒸汽爆破条件下，过高的蒸汽压力以及过长的蒸煮时间不仅能耗高，而且在此过程中，秸秆和木材中的大部分半纤维素和木质素已降解成单糖或进一步转变为糠醛、乙酸、酚类等物质，这些降解产物对后续的酶解糖化纤维素生产生物乙醇起到了明显的抑制作用，使木质纤维素原料的利用率不到50％，无法充分利用；而且较高的蒸汽压和较长的维压时间对设备的耐压和其它性能要求较高，对能源需求也较大，增加了资金投入。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于低强度蒸汽爆破用生物质制备木质纤维素的方法，本方法将除杂切片后的灌木茎杆进行低强度蒸汽爆破，产物经盘磨机磨碎，以水作溶剂采用增压快速萃取方法分离半纤维素，再将分离半纤维素后的固体渣，以乙醇作溶剂采用增压快速萃取方法分离木质素，最后将分离出半纤维素和木质素的灌木茎杆纤维素用于酶解糖化发酵转化生物乙醇。
本发明解决技术问题的方案是：一种基于低强度蒸汽爆破用生物质制备木质纤维素的方法，它包括以下步骤：
1）生物质原料处理：原料主要是灌木茎杆，其水份≤15％，叶含量≤0.2％，不含铁器杂质；
2)低强度蒸汽爆破预处理：蒸汽爆破压力为0.5～1.2mpa，维压时间为20～150秒；
3)萃取分离半纤维素；
4)萃取分离木质素；
5)纤维素酶酶解糖化。
在步骤1)中，还包括切片。
在步骤2)之后，步骤3)之前，还包括研磨。
在步骤3)中，所述萃取是增压溶剂萃取，其中溶剂为水，水与爆破物料的重量配比为10∶1～40∶1，萃取温度为30～90℃，萃取时增压5～10分钟，停止增压5～10分钟，增压最高压力0.1～0.3mpa，以此循环1～1.5小时。
所述水与爆破物料的重量配比为15∶1，萃取温度为60～80℃。
在步骤3)中，还包括用超滤膜过滤萃取液，回收利用水，所述超滤膜是截留分子量为1000～4000的聚砜超滤膜。
本发明最大限度地把起始于木质生物质中的碳转化为有用的产品，进一步提高纤维素酶解转化率和降低转化成本，使木质纤维素资源得到充分地利用，而且处理过程中不使用酸、碱或含硫、氯的化学品，是绿色无污染分离工艺，其具有的有益效果是：
1)本发明降低了设备要求，并在大幅度降低能耗的同时最大限度的保持了半纤维素和木质素的成分，使半纤维素和木质素的进一步利用成为可能；
2)本发明采用增压快速溶剂萃取方法分离半纤维素和木质素，增压快速溶剂萃取循环在由程序变压获得的动态体系与静态体系间交替进行，基于对萃取物料进行增压、减压的双效及强制等渗从而实现萃取物迁移到溶剂相，可大幅度降低萃取分离成本；
3)本发明将灌木纤维原料的主成分先行分离，半纤维素和木质素产品分离富集后用于高附加值产品的加工，实现木质纤维资源高值化利用；
4)本发明的纤维素酶解糖化率95％以上，较未预处理原料或主成分未分离蒸汽爆破原料的糖化率有显著提高；
5)本发明中只使用水和乙醇，易于回收利用，可实现零排放，对环境保护具有十分积极的意义。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的用生物质制备木质纤维素的方法，它包括以下步骤：
1）生物质原料处理：原料主要是灌木茎杆，其水份为11％，叶含量为0.15％，不含铁器杂质；
2)低强度蒸汽爆破预处理：蒸汽爆破压力为0.5mpa，维压时间为100秒；
3)萃取分离半纤维素；
4)萃取分离木质素；
5)纤维素酶酶解糖化。
在步骤1)中，还包括切片。
在步骤2)之后，步骤3)之前，还包括研磨。
在步骤3)中，所述萃取是增压溶剂萃取，其中溶剂为水，水与爆破物料的重量配比为20∶1，萃取温度为80℃，萃取时增压10分钟，停止增压10分钟，增压最高压力0.3mpa，以此循环1.5小时。
所述水与爆破物料的重量配比为15∶1，萃取温度为80℃。
在步骤3)中，还包括用超滤膜过滤萃取液，回收利用水，所述超滤膜是截留分子量为1000的聚砜超滤膜。
本发明最大限度地把起始于木质生物质中的碳转化为有用的产品，进一步提高纤维素酶解转化率和降低转化成本，使木质纤维素资源得到充分地利用，而且处理过程中不使用酸、碱或含硫、氯的化学品，是绿色无污染分离工艺。