CN101153305A - 一种秸秆类纤维原料预处理方法 - Google Patents

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徐志剑
杜风光
史吉平
冀春雪
韩素芳
董青山
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Abstract

一种秸秆类纤维原料预处理方法，包括如下步骤：a.将作物秸秆干燥后粉碎至颗粒状秸杆备用；b.取步骤a得到的颗粒状秸杆，与固态Ca(OH)2和水混合均匀后，在70℃~125℃条件下处理10~60min；c.将步骤b得到的物料加水进行湿法粉碎得到浆状物；d将步骤c得到的浆状物在70℃～125℃条件下处理10~60min；e将步骤d得到的物料用浓酸，如硫酸，盐酸等中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。本发明是氢氧化钙碱处理法和湿法机械处理相耦合，通过氢氧化钙处理降低了秸秆类纤维原料的韧性，有利于降低湿法粉碎的能耗；通过湿法粉碎又促进了体系的混合从而促进了氢氧化钙对纤维的作用，提升作用效果，降低成本。

Description

一种秸秆类纤维原料预处理方法
技术领域
本发明涉及秸秆类纤维原料的预处理方法，特别是一种从秸秆类纤维原料得到可发酵单糖的高效、环保的秸秆类纤维原料预处理方法。
背景技术
当前世界面临的危机之中能源危机和工业原料危机举世瞩目。很多科学家都在大力倡导和开展生物炼制的研究和实践。就是使用生物质为原料通过糖平台发酵或者通过热裂解路径的气、油平台合成得到各种燃料和工业原料的过程。
纤维类物质是世界上资源最丰富的一类生物质，仅我国的秸秆类纤维资源一年就有7亿多吨。
从纤维素、半纤维素得到可发酵的单糖理论上简单可行，当前的焦点是经济可行性。通过适当的处理，可有效提高酶解得糖率，降低综合成本，这就是纤维类原料预处理的重大意义。
当前预处理方法百花齐放，同时也从测面说明了还没有一种方法可以很好的解决所有问题。稀酸预处理温度较高，设备容易腐蚀，同时产生大量的发酵抑制物；氢氧化钠碱预处理会产生大量的含碱废水；蒸汽爆破设备放大困难；溶剂法面临溶剂回收难问题，等等举不胜举。
如中国专利授权公开号为CN1116419C公开的“酶法制备功能性低聚木糖的生产工艺”，它包括以下步骤：用玉米芯、玉米秸杆、稻草等作为原料经筛选、干燥、粉碎、过筛制得原料，上述原料用水浸湿、脱水，用碱在室温搅拌浸提15-30小时及70-90℃时搅拌浸提1-3小时，收集滤液，用酸中和至微酸性，得半纤维素溶液中加入酶粉或酶制剂，酶的水解液再经脱色，离子交换、浓缩后得低聚二木糖为主的混合物或其结晶。其采用的酶制剂主要是木聚糖酶(EC3.2.1.8)，它可以由微生物分别通过固态或液态发酵方法制得，经过发酵产生的木聚糖酶可以制备成部分纯化的酶制剂或经sephadexG-100和DEAE-sephadex-ASO纯化后的纯酶。
在用纤维类原料酶解获取单糖的过程中，单糖的得率非常有限，使得采用纤维类原料获取单糖(主要为葡萄糖和木糖)的经济性很差。所以，采用合适的方法，在酶解前对纤维类原料进行适当的预处理，可以提高原料的酶解效率，提高原料得糖率，有效降低成本，提高经济性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供提高原料的酶解效率，提高原料得糖率，有效降低成本，提高经济性的秸秆类纤维原料预处理方法。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
一种秸秆类纤维原料预处理方法，包括如下步骤：
a.从田间收获的作物秸秆，如玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、棉花秸秆、油菜秸秆等，经过日晒风吹的自然干燥，然后用通用的工业化粉碎装置简单粉碎至粒径大约0.05~2cm的颗粒状秸杆备用；
b.取步骤a得到的一定量颗粒状秸杆，与5％~35wt％的固态Ca(OH)2、重量比为3~8倍的水混合均匀后，在70℃~125℃条件下处理10~60min；
c.将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，在湿法粉碎过程中加重量比为3~8倍的水；
d将步骤c得到的浆状物加热至70℃~125℃，保温10~60min得物料；
e将步骤d得到的物料用浓酸，如百分比浓度为50％~98％的浓硫酸、百分比浓度为20％~37.2％的浓盐酸等，中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
在本发明中，步骤b和步骤d处理的温度优选为100℃~125℃。
在本发明中，体系氢氧化钙质量百分比控制在1-3％之间。
本方法是氢氧化钙碱处理法和湿法机械处理相耦合，通过氢氧化钙处理降低了秸秆类纤维原料的韧性，有利于降低湿法粉碎的能耗；通过湿法粉碎又促进了体系的混合从而促进了氢氧化钙对纤维的作用，提升作用效果，降低成本。
本方法实现了从预处理到酶解，再到发酵过程的闭合体系，既避免了稀酸预处理方法产生大量发酵抑制物的弊端，又避免了氢氧化钠预处理方法排放含碱废水的弊端，整个预处理过程清洁环保。
本发明的优点：①酶解得糖率高，以玉米秸秆为例，可以达到50g/100g秸秆；②发酵抑制物较少，在未经脱毒处理的情况下，发酵水平可以达到不含抑制物条件下发酵水平的85％以上；③整个预处理过程封闭运行，不排放任何废水。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例1
a.取经过干燥、粉碎至0.05~2cm颗粒状玉米秸秆100g；
b.取5g固态Ca(OH)2、400g自来水，与颗粒状玉米秸秆混匀；在110℃条件下保温40min；
c.将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，同时加800g的水，保持混合均匀；
d.将步骤c得到的浆状物在105℃条件下保温30min；
e.将步骤d得到的物料用百分比浓度为50％的浓硫酸中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
实施例2
a.取经过干燥、粉碎至0.05~2cm颗粒状小麦秸秆100g
b.取7g固态Ca(OH)2、450g自来水，与颗粒状小麦秸秆混匀。在105℃条件下保温50min。
c将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，同时加600g的水，保持混合均匀。
d将步骤c得到的浆状物在115℃条件下保温25min。
e将步骤d得到的物料用百分比浓度为60％的浓硫酸中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
实施例3
a.取经过干燥、粉碎至0.05~2cm颗粒状小麦秸秆100g；
b.取10g固态Ca(OH)2、500g自来水，与颗粒状小麦秸秆混匀；在70℃条件下处理60min；
c.将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，同时加550g的水，保持混合均匀；
d.将步骤c得到的浆状物在125℃条件下处理15min；
e.将步骤d得到的物料用百分比浓度为20％的盐酸中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
实施例4
a.取经过干燥、粉碎至0.05~2cm颗粒状棉花秸秆100g
b.取15g固态Ca(OH)2、550g自来水，与颗粒状棉花秸秆混匀。在95℃条件下处理55min。
c将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，同时加500g的水，保持混合均匀。
d将步骤c得到的浆状物在110℃条件下处理27min。
e将步骤d得到的物料用百分比浓度为80％的浓硫酸中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
实施例5
a.取经过干燥、粉碎至0.05~2cm颗粒状油菜秸秆100g；
b.取25g固态Ca(OH)2、700g自来水，与颗粒状油菜秸秆混匀；在120℃条件下处理18min；
c.将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，同时加450g的水，保持混合均匀；
d.将步骤c得到的浆状物在85℃条件下处理52min；
e.将步骤d得到的物料用百分比浓度为85％的浓硫酸中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
实施例6
a.取经过干燥、粉碎至0.05~2cm颗粒状玉米秸秆100g
b.取35g固态Ca(OH)2、800g自来水，与颗粒状玉米秸秆混匀。在125℃条件下处理15min。
c将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，同时加350g的水，保持混合均匀。
d将步骤c得到的浆状物在70℃条件下处理60min。
e将步骤d得到的物料用百分比浓度为98％的浓硫酸中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于包括如下步骤：
a.将作物秸秆干燥后粉碎成颗粒状秸杆备用；
b.取步骤a得到的颗粒状秸杆，与5％~35wt％的固态Ca(OH)2、重量比为3~8倍的水混合均匀后，在70℃~125℃条件下处理10~60min；
c.将步骤b得到的物料进行湿法粉碎得到浆状物，在湿法粉碎过程中加重量比为3~8倍的水；
d.将步骤c得到的浆状物加热至70℃~125℃，保温10~60min得物料
e.将步骤d得到的物料用浓硫酸或盐酸中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解。
2.根据权利要求1所述的秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于，所述步骤b处理的温度为100℃~125℃。
3.根据权利要求1或2所述的秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于，所述步骤d处理的温度为100℃~125℃。
4.根据权利要求1所述的秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于，体系氢氧化钙质量百分比控制在1-3％之间。
5.根据权利要求1所述的秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于，所述秸杆颗粒粒径在0.05~2cm之间。
6.根据权利要求1所述的秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于，所述作物秸杆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、棉花秸秆、油菜秸秆。
7.根据权利要求1所述的秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于，所述浓硫酸百分比浓度为50％~98％。
8.根据权利要求1所述的秸秆类纤维原料预处理方法，其特征在于，所述盐酸百分比浓度为20％~37.2％。
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