CN102212563A - 生物质梯度气相蒸煮预处理方法 - Google Patents

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陈洪章
彭小伟
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Abstract

本发明提供一种生物质梯度气相蒸煮预处理方法，将生物质原料置于温度和压力梯度上升的气相介质环境中蒸煮，梯度蒸煮使生物质在由低向高不同的温度和压力下各保持一定时间，生物质受热均匀，提高了气相介质与物料反应的均一性从而提高预处理效果。气相介质可以是无机或有机物，满足不同原料和不同目标产物生产的预处理需要。本发明对生物质原料和生物基产品的生产具有普适性，可用于生物基能源、材料和化学品生产过程的生物质原料预处理，也可用于中药泡制和天然植物纤维脱胶等。

Description

生物质梯度气相蒸煮预处理方法
技术领域
本发明属于生物质原料高值利用领域，特别涉及生物质梯度气相蒸煮预处理方法。
技术背景
生物质指所有通过光合作用将太阳能和二氧化碳转化而形成的有机物质，或光合产物间接形成的动物物质及其代谢物。包括农产品及农作物秸秆、木材及木材废料、动物废料、城镇垃圾及水生植物等。其中，木质纤维素类生物质的产量最大。全球每年由光合作用产生的木质纤维素总量约为1000亿吨。木质纤维素原料再生速度快，每年约固定2×1011吨碳，内含3×1021J能量，相当于600亿至800亿吨石油，即全世界每年石油总产量的20至27倍。
生物质转化是世界上最大的碳循环之一，生物基产品的生产和应用对于缓解人类资源、能源危机和日益严峻的环境污染问题具有举足轻重的作用。世界各国已经认识到要实现人类社会的可持续发展，必须利用可再生的生物质资源取代石油资源，生产人类所需的能源、材料、化学品和其他物品。在这种背景下，各国科学家和工程师正在不停的努力开发新的技术，降低生物基产品的生产成本，增加生物基产品的应用范围。生物基产品的不断开发和生产对于减少对化石资源的依赖性以及改善人类的生存环境和生活质量具有重要的意义。
生物质原料广泛多样，组分复杂，因此必须先对生物质原料进行预处理，才能进行后续的加工和炼制。针对不同的生物质原料和后续的转化工艺需求，开发高效低能耗的原料预处理技术是生物质实现生物质高值化利用的关键。生物质预处理技术研究是国内外研究的热点，生物质预处理方法有物理法如粉碎、高能辐射、微波处理和超临界等；化学法如酸预处理、碱预处理、溶剂处理、臭氧处理等；生物法如用白腐菌等发酵处理；综合法如汽爆和多种方法综合预处理。各种预处理方法都有它的优势和局限性，如物理法价格较高而且很难达到高效酶解发酵的要求，而生物法能耗低但时间过长，工业上很难实现，目前酸预处理和气爆预处理已用于产业化，酸预处理技术由于对设备要求高、污染严重而逐渐被淘汰，气爆预处理技术无污且能耗较低，是较为理想的技术，但还需进一步完善，如与其他技术组合或汽爆方式的改进等降低能耗和效率。
本发明提供的梯度气相蒸煮预处理生物质的方法，原理是生物质原料首先在较低温度和压力的蒸汽环境中处理较长的时间，使物料与气相介质充分接触、受热均匀，经过较长时间(4-60min)的低压蒸煮后继续充入蒸汽，升高蒸煮压强和温度，处理较短的时间(0.5-30min)，使生物质与气相介质的反应进一步进行，因为整体的蒸煮时间延长，保证了蒸煮的均一性。采用气相蒸煮与液相蒸煮相比减少反应介质的使用量和能量消耗。本方法有以下优势：一、梯度气相蒸煮使物料在逐渐升高的温度和压强条件下与气相介质充分接触和反应，保证了反应的均一性；二、可根据生物质特性和目标产物的要求采用不同的气相介质，包括有机介质和无机介质，有机介质如乙醇、甲醇、乙二醇等，无机介质如水、氯气等；三、气相蒸煮方法对于生物质原料和目标产物具有广谱性，本方法对所有的生物质都适应，能满足几乎所有生物基产品的需要，如能源、材料、化学品、食品、中药、饲料、肥料、植物纤维等生产的预处理需求。可根据不同的产物导向选择不同的气相介质和气相蒸煮工艺。因此，本方法是一种有广泛前景的生物质预处理方法。
发明内容
【本发明的目的】本发明的目的是针对生物质资源化利用需求量日益增大，需开发清洁高效的生物质预处理方法来满足生物质产业发展的需要的现实问题，提供高效、通用的梯度气相蒸煮生物质预处理方法。
【技术方案】本发明提供的生物质梯度气相蒸煮预处理方法，包括高压气相蒸煮和低压气相蒸煮两个步骤，具体如下：
(1)低压气相蒸煮：将生物质原料放入气相蒸煮罐，充入气相介质，在0.2-0.7MPa压力下气相蒸煮4-60min；
(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后，充入气相介质提高蒸煮温度和压力，在0.71-2.8MPa压力下气相蒸煮0.5-30min；
(3)物料的释放：梯度气相蒸煮处理后物料的释放有两种方式，一是将物料与气相介质一起放出；二是先释放气相介质，等气相介质释放后再从气相蒸煮罐中取出物料，根据实际需要进行选择。
【技术特点】本发明的核心是提供清洁、高效、通用的生物质预处理技术，通过梯度气相蒸煮预处理生物质，即生物质原料首先在较低温度和压力的蒸汽环境中处理较长的时间，使物料与气相介质充分接触、受热均匀，经过较长时间的低压蒸煮后继续充入蒸汽，升高蒸煮压强和温度，处理较短的时间，使生物质与气相介质的反应进一步进行，保证了蒸煮的均一性，同时避免了处理条件过高对生物质原料的过度降解。
具体实施方式
实施例1
以玉米秸秆酶解发酵为目的的预处理过程如下：
(1)低压气相蒸煮：将玉米秸秆原料切割成3-5cm，加水调节水分含量为30％，放入气相蒸煮罐，充入水蒸汽，在0.6MPa压力下气相蒸煮10min；
(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后继续充入水蒸汽，在1.0MPa压力下气相蒸煮6min，再充入水蒸汽，在1.5MPa压力下气相蒸煮1min；
(3)物料的释放及应用：梯度气相蒸煮处理完成后泄压将水蒸汽和玉米秸秆物料一起释放，梯度气相蒸煮处理后的玉米秸秆物料用纤维素酶酶解，在纤维素酶用量为10FPA/g干物料，pH 4.8，50℃下酶解48h后，纤维素的酶解率达到86％，酶解得到的糖可用于乙醇、乳酸、丁醇等发酵。
实施例2
以小麦秸秆提取木质素和纤维素酶解发酵为目的的预处理过程如下：
(1)低压气相蒸煮：将小麦秸秆原料切割成3-8cm，放入气相蒸煮罐，充入乙醇蒸汽，在0.5MPa压力下气相蒸煮14min；
(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后继续充入乙醇蒸汽，在1.5MPa压力下气相蒸煮6min，完成梯度气相蒸煮；
(3)物料的释放及应用：梯度气相蒸煮处理完成后泄压先释放乙醇蒸汽，并采用列管式冷凝器回收乙醇，乙醇蒸汽释放完毕后再释放小麦秸秆物料，小麦秸秆物料用乙醇提取木质素，木质素提取率为84％，提取木质素后的物料用纤维素酶酶解，在纤维素酶用量为8FPA/g干物料，pH 4.8，50℃下酶解48h后，纤维素的酶解率到84％。
实施例3
以玉米秸秆提取木质素和聚醚多元醇为目的的预处理过程如下：
(1)低压气相蒸煮：将玉米秸秆原料切割成5-10cm，放入气相蒸煮罐，充入甲醇蒸汽，在0.6MPa压力下气相蒸煮12min；
(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后继续充入甲醇蒸汽，在1.2MPa压力下气相蒸煮4min，完成梯度气相蒸煮；
(3)物料的释放及应用：梯度气相蒸煮处理完成后泄压先释放甲醇蒸汽，并采用列管式冷凝器回收甲醇，甲醇蒸汽释放完毕后再释放玉米秸秆物料，玉米秸秆物料用乙醇提取木质素，木质素提取率为82％，提取木质素后的物料主要为纤维素，用它与甘油和聚乙二醇在重量比为2∶1∶1、133℃下合成聚醚多元醇。
实施例4
以苎麻气相脱胶为目的的预处理过程如下：
(1)低压气相蒸煮：将苎麻原麻在水中浸泡2小时后装笼，放入气相蒸煮罐，充入水蒸汽，在0.4MPa压力下气相蒸煮6min，升高再充入水蒸汽升高压力0.58MPa压力下气相蒸煮5min；
(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后，继续充入水蒸汽提高蒸煮温度，在1.0MPa压力下气相蒸煮0.5min，气相蒸煮后将水蒸汽放出，水蒸汽释放完毕后将苎麻纤维从气相蒸煮罐中取出；
(3)苎麻纤维的后处理：对梯度气相蒸煮处理后的苎麻物料在敲麻机上进行敲麻，敲麻强度为4-6圈，敲麻完成后用双氧水漂白，漂白液的组成为(g/L)：Na2SiO3，1；H2O2，10；NaOH，1，在60℃下，漂42min，漂白完成后在2％的纤维乳化油中30℃浸泡20min完成给油，甩干后用气流干燥便得到苎麻精干麻。
实施例5
以葛根原料发酵乙醇和提取葛根素为目的的预处理过程如下：
(1)低压气相蒸煮：将葛根原料切割成3-5cm小块，放入气相蒸煮罐，充入水蒸汽，在0.5MPa压力下气相蒸煮10min；
(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后继续充入水蒸汽，在1.1MPa压力下气相蒸煮2min，完成梯度气相蒸煮；
(3)物料的释放及应用：梯度气相蒸煮处理完成后泄压将水蒸气和葛根物料一起释放，将梯度气相蒸煮处理后的葛根物料，直接加入糖化酶(45u/g)、和活化后的酵母，35～37℃下，固态同步糖化发酵40h，发酵渣用乙醇提取黄酮，100g干葛根可生产的乙醇与葛根黄酮分别为27.3g、4.5g，淀粉利用率达到95％，与未气相蒸煮的相比，在相同的发酵和提前条件下，乙醇产率提高了158％，黄酮提取率提高了52％。

Claims (3)

1.生物质梯度气相蒸煮预处理方法，包括如下步骤：
(1)低压气相蒸煮：将生物质原料放入气相蒸煮罐，充入气相介质，在0.2-0.7MPa压力下气相蒸煮4-60min；
(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后，继续充入气相介质提高蒸煮温度和压力，在0.71-2.8MPa压力下气相蒸煮0.5-30min；
(3)物料的释放：梯度气相蒸煮处理后物料的释放有两种方式，一是将物料与气相介质一起放出；二是先释放气相介质，等气相介质释放后再从气相蒸煮罐中取出物料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：气相介质包括有机介质和无机介质。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：在气相蒸煮前对生物质原料进行前处理步骤，包括切割、粉碎或浸泡，以提高梯度气相蒸煮效果。
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