CN102220384A - 一种加压微波预处理木质纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

一种加压微波预处理木质纤维素的方法，它涉及处理木质纤维素的方法。它解决了现有木质纤维素的预处理方法存在用水量大、成本高、能耗大和还原糖的转化率低的问题。方法：取已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成末，然后加蒸馏水，加压微波处理后即完成。本发明达到了在保证预处理效果的前提下，缩短了处理时间，降低用水量，降低了生产能耗和成本，同时不造成二次污染，易于实现工业应用的目的。本发明中加压微波预处理条件相对于其它预处理方法温和一些，反应的温度压强要求都不是很高(反应温度110～150℃，压力0.1～0.5MPa)，安全性高，能耗小；不需要添加任何化学试剂，且反应时间短(仅为2～15min)，节省了成本。

Description

一种加压微波预处理木质纤维素的方法
技术领域
本发明涉及一种处理木质纤维素的方法。
背景技术
木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源之一，被认为是最重要的燃料酒精生产的后续资源物质。但是纤维素类物质结构复杂，纤维素酶难以进入纤维素的结晶区，使得纤维素的生物降解难于迅速进行。因此人们不得不采用化学的、物理的方法进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素分离，解开纤维素内部氢键，将结晶纤维素转化为无定形纤维素，使预处理后所得的物质更易于被生物或者化学的方法水解。
现有的各种预处理的方法和工艺成本过高、能耗过大，虽然目前利用木质纤维素生产燃料酒精的技术原理和工艺路线已被认知，但由于成本过高，导致纤维素酒精的价格尚无法与粮食酒精相竞争而一直没有得到推广应用。因此开发经济适用、效果好的预处理方法对生物质制取燃料酒精具有重要意义。
目前主要的纤维素预处理方法有以下几个方面：
化学法主要有酸水解法和碱水解法。化学法能够获得较好的预处理效果，但是处理后样品的pH值偏高或偏低，必须进行pH值调节才能进行后续的糖化发酵工艺，同时还存在回收试剂、中和、洗涤等问题，处理用水量增加，后期废水处理费用也相应增加。
物理化学方法主要有蒸汽爆破法和CO2爆破法。蒸汽爆破法是将物料加热至200℃左右保持0.5～15min，水分子在高温高压下能够穿透生物质的细胞壁结构，然后迅速打开阀门降压，造成纤维素晶体的爆裂，木质素和纤维素分离。该法缺点是高温高压环境，对设备要求严格，成本高，同时造成企业生产废水的排出，造成废水处理成本的增加；CO2爆破法的原理与操作过程类似于蒸汽爆破法，但是成本高于蒸汽爆破法。
物理法有机械破碎、高温热水预处理和微波预处理等方法。机械破碎是一种最常使用的植物纤维素原料预处理方法，大多数植物纤维素原料在进行其他的预处理以前，都要对其进行机械破碎。对于机械破碎预处理而言，尽管处理后粒径越小越有利于后续的水解，但所需要的能量也会增加，所以存在一个机械破碎预处理植物纤维素原料的最佳粒径。机械破碎法的缺点是耗能大，耗能占生产过程总耗能的50～60％；高温热水预处理是在高温高压(温度＞200℃，压力大于同温度下的饱和蒸汽压)使用液态水对植物纤维素原料进行预处理的过程。高温热水预处理会导致有价值组分的损失，且水解产物对下游酒精发酵具有一定的抑制作用。微波预处理是利用表面微波改变植物纤维素原料的超分子结构，使纤维素结晶区尺寸发生变化；能够部分降解木质素和半纤维素，从而增加其可及度，提高植物纤维素的酶水解的效率。
生物方法预处理植物纤维素原料，文献报道最多的是白腐真菌分解植物纤维素原料中的木质素，进而提高植物纤维素原料的水解效率。但存在周期长，菌体会利用部分纤维素与半纤维素，使植物纤维素原料的水解得率降低等不足。专利名称为“用于燃料酒精生产的原料微波预处理方法(申请号：200710144429.8，申请日：2007年10月12日，公开日：2008年4月30日)”的专利中预处理时间长(30～60min)，致使能耗大，成本高，用水量大(固液比1∶30～50)，且还原糖的转化率低，仅为：70.2％，其中葡萄糖转化率为：49.1％，木糖的转化率为211％，76％的理论乙醇产率。
发明内容
本发明目的是为了解决现有作为酒精原料的木质纤维素，其预处理方法存在用水量大、成本高、能耗大和还原糖的转化率低的问题，而提供一种加压微波预处理木质纤维素的方法。
加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行：取4～6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10～40目的粉末，然后按固液比1∶5～20加入蒸馏水，在温度为110～150℃的条件下加压微波处理2～15min，即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0.1～0.5MPa，所用微波频率为450MHz。
本发明达到了在保证预处理效果的前提下，缩短了处理时间，降低用水量(固液比1∶5～20)，降低了生产能耗和成本，同时不造成二次污染，易于实现工业应用的目的。
本发明中加压微波预处理条件相对于其它预处理方法温和一些，反应的温度压强要求都不是很高(本发明中反应温度为110～150℃，压力为0.1～0.5MPa)，安全性高，能耗小；不需要添加任何化学试剂，且反应时间短(本发明中反应时间仅为2～15min)，相应节省了成本。
本发明中预处理的秸秆作底物，用纤维素酶水解和同时等温糖化发酵(SSF)时，获得还原糖的转化率为：87.09％～91.3％，其中葡萄糖转化率为：60.95％～64.89％，木糖的转化率为26.14％～30.08％，82％～85％的理论乙醇产率。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行：取4～6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10～40目的粉末，然后按固液比1∶5～20加入蒸馏水，在温度为110～150℃的条件下加压微波处理2～15min，即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0.1～0.5MPa，所用微波频率为450MHz。
本实施方式中微波预处理采用的微波处理器型号为美国CEM公司生产的Mars5高通量密闭微波消解系统(微波消解仪)，微波频率：450MHz。
本实施方式中加压微波处理后，不用进行洗涤过滤。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同是木质纤维素为甘蔗、稻壳、秸秆中的一种或其中几种的组合。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中木质纤维素为混合物时，各组分间按任意比例混合。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同是取4g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10目的粉末，然后按固液比1∶5加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二的不同是取6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成40目的粉末，然后按固液比1∶20加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二的不同是取4.2～5.8g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成20～30目的粉末，然后按固液比1∶7.5～12.5加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二的不同是取5g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成25目的粉末，然后按固液比1∶10加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同是在温度为110℃的条件下加压微波处理15min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同是在温度为150℃的条件下加压微波处理2min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同是在温度为120～140℃的条件下加压微波处理5～12min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同是在温度为130℃的条件下加压微波处理10min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行：取5g已干燥至恒重的秸秆，粉碎成30目的粉末，然后按固液比1∶10加入蒸馏水，在温度为130℃的条件下加压微波处理5min，即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0.3MPa，所用微波频率为450MHz。
本实施方式中预处理所得秸秆作底物(即加压微波预处理木质纤维素)，用纤维素酶水解和同时等温糖化发酵(SSF)时，获得还原糖的转化率为：87.09％，其中葡萄糖转化率为：60.95％，木糖的转化率为26.14％，82％的理论乙醇产率。
本实施方式中加压微波预处理法与其它预处理方法的比较，结果如表1所示，加压微波预处理条件相对温和一些，反应的温度压强要求都不是很高，安全性高，能耗小；不需要添加任何化学试剂，且反应时间短，相应节省了成本。
表1
Figure BDA0000056200760000041
本实施方式中加压微波预处理法与其它预处理方法的比较，结果如表2所示，常压微波预处理条件比加压微波预处理的温和一些，常温常压，安全性很高，但它的用水量比常压大很多，相应的使成本升高，但是由于微波预处理中的水绝大部分是因蒸发而浪费，因此可以考虑采用冷凝回流措施来部分解决用水量过大的问题。从酶解效率来比，常压微波预处理法与酸化汽爆还有一定差距，加压微波预处理与酸化气爆相当；但从SSF乙醇产率来比，常压微波预处理低于酸化汽爆，加压微波预处理接近酸化气爆。酸化汽爆将纤维素和半纤维素分离，分别进行回收，增加了整个工艺的工序；微波预处理则保留大部分纤维素和半纤维素，不需要单独回收。
表2
Figure BDA0000056200760000042
具体实施方式十二：本实施方式加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行：取6g已干燥至恒重的稻壳，粉碎成40目的粉末，然后按固液比1∶15加入蒸馏水，在温度为150℃的条件下加压微波处理3min，即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0.5MPa，所用微波频率为450MHz。
本实施方式中预处理所得稻壳作底物(即加压微波预处理木质纤维素)，用纤维素酶水解和同时等温糖化发酵(SSF)时，获得还原糖的转化率为：91.3％，其中葡萄糖转化率为：64.86％，木糖的转化率为30.08％，85％的理论乙醇产率。

Claims (6)

1.一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行：取4～6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10～40目的粉末，然后按固液比1∶5～20加入蒸馏水，在温度为110～150℃的条件下加压微波处理2～15min，即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0.1～0.5MPa，所用微波频率为450MHz。
2.根据权利要求1所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于木质纤维素为甘蔗、稻壳、秸秆中的一种或其中几种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于取4.2～5.8g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成20～30目的粉末，然后按固液比1∶7.5～12.5加入蒸馏水。
4.根据权利要求3所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于取5g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成25目的粉末，然后按固液比1∶10加入蒸馏水。
5.根据权利要求4所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于在温度为120～140℃的条件下加压微波处理5～12min。
6.根据权利要求4所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于在温度为130℃的条件下加压微波处理10min。
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