CN102277391B - 一种秸秆类原料的综合利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种秸秆类原料的综合利用方法，其特征是：工艺步骤为：a、将汽爆秸秆进行固、液分离，汽爆秸秆固体用碱法蒸煮处理，从碱萃取液中经过酸析提取优质木质素；b、将步骤a萃取残渣进行酶解，得到酶解残渣和酶解液，酶解残渣用来生产纸浆；c、将步骤a汽爆秸秆液体经脱毒后，将酶解液与步骤b酶解液合并，添加氮源，进行丙丁发酵。本发明的优点是：原料来源非常广泛，实现了秸秆中纤维素（长纤维、短纤维）、半纤维素和木质素等成分进行了分离，使各个组分的价值得到充分实现，将纤维素拆分为不易酶解的长纤维和易于酶解的短纤维，降低了纤维素酶的用量和成本，提高秸秆的综合利用价值，同时解决丙丁发酵工业化生产的原料来源问题。

Description

一种秸秆类原料的综合利用方法
技术领域
本发明涉及一种秸秆类原料的综合利用方法。
背景技术
近年来，随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，我国粮食生产能力逐年提高，过去抢手的秸秆如今却成了令人发愁的“包袱”，并引发出秸秆焚烧污染环境和资源浪费等诸多问题，如何给日益增加的秸秆找到出路，变废为宝，已经成为迫在眉睫的社会问题，秸秆综合利用为解决能源供需矛盾提供了新机遇，因此，积极发展可再生能源，对于解决农村地区的生活用能和生态建设具有十分重要的意义。
随着石油资源的日益枯竭，能源问题越来越受到民众的普遍关注，丙酮丁醇发酵行业液越来越受到人民的重视，但是丙酮丁醇发酵的传统原料为玉米、木薯，原料成本高、市场波动大，这极大地限制了丙酮丁醇发酵行业的健康发展，秸秆是农作物的主要副产品，也是十分宝贵的生物资源，但是长期以来以秸秆为原料生产乙醇、丁醇未取得突破的主要原因是秸秆资源综合利用率低，纤维素酶成本高、用量大，迫切需要开发出秸秆综合利用新技术，使秸秆各组分得到高效利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种秸秆类原料的综合利用方法。
本发明采用的技术方案是：
一种秸秆类原料的综合利用方法，工艺步骤为：a、将汽爆秸秆进行固、液分离，汽爆秸秆固体用碱法蒸煮处理，从碱萃取液中经过酸析提取优质木质素；b、将步骤a萃取残渣进行酶解，得到酶解残渣和酶解液，酶解残渣用来生产纸浆；c、将步骤a汽爆秸秆液体经脱毒后，将酶解液与步骤b酶解液合并，添加氮源，进行丙丁发酵。
所述步骤a的工艺为：秸秆原料加水浸泡3―5min，秸秆质量与加水体积的比例为1：1―2，浸泡秸秆在压力0.5―3Mpa下维持3―20min，获得到汽爆秸秆，向汽爆秸秆中加入1―2倍干秸秆质量的水，温度控制在60―70℃充分浸泡15―40min，再用螺旋挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体两部分，使秸秆中的半纤维素充分分离出来，汽爆秸秆固体在80―120℃用质量浓度2―5%的氢氧化钠蒸煮处理40―120分钟，进行固液分离，分别获得萃取渣和萃取液，用质量浓度10%的硫酸将萃取液调pH至3.0―3.5，温度保持在50―60℃，酸析时间为30―60分钟，将沉淀下的木质素经过80目板框过滤，获得湿木质素，湿木质素经过喷雾干燥获得木质素成品，该木质素的纯度大于90%，且未经高温处理，为非改性木质素。
所述步骤b的工艺为：向萃取渣中加入秸秆干重1―5倍的水，搅拌均匀，再加入5―10FIU/g纤维素酶，调pH4.8―5.0，在50℃维持12―24h；酶解完成后进行固液分离，分别后的酶解液和酶解残渣，用与残渣等量的水洗涤残渣，洗涤液并入酶解液，残渣中的成分为不易酶解的长纤维，用来生产纸浆，酶解液中是易酶解的短纤维产生的糖类。
所述步骤c的工艺为：将汽爆秸秆液体在0.05―0.1Mpa，温度50―90℃条件下减压蒸馏，除去糠醛、有机酸等发酵抑制物，将脱毒后的液体与萃取残渣酶解液混合，将糖含量控制在6%―7%，再用NaOH调至pH6.5―7，再加入氮源，使糖含量与蛋白含量之比为15―25:1，在121℃下灭菌20min，接入质量浓度5―10%的丙酮丁醇发酵种子培养液，37―38℃下厌氧发酵72h，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量。
所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、稻草或油菜杆。
所述氮源为：玉米浆、玉米黄浆、玉米黄浆粉、豆粕、豆饼粉、麸皮、米糠、酵母粉、蛋白胨、硫酸铵、氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的任何一种或组合物。
所述丙丁发酵为糖丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌、巴氏芽孢梭菌中任意一种或者两种组合。
本发明的优点是：秸秆类原料为小麦、玉米、稻草、油菜，原料来源非常广泛，实现了秸秆中纤维素（长纤维、短纤维）、半纤维素和木质素等成分进行了分离，使各个组分的价值得到充分实现，将纤维素拆分为不易酶解的长纤维和易于酶解的短纤维，降低了纤维素酶的用量和成本，使纤维素的利用达到利润最大化，该发明一方面可以提取出优质木质素，另一方面还为发酵、造纸行业提供廉价的原料，提高了秸秆的综合利用价值，同时解决了丙丁发酵工业化生产的原料来源问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种秸秆类原料的综合利用方法，其工艺步骤为：a、取小麦秸秆500份，加水750份，浸泡3min，浸泡小麦秸秆在压力0.5Mpa下维持3min，获得到汽爆小麦秸秆，向汽爆小麦秸秆中加入500份水，温度控制在60℃充分浸泡15min，再用螺旋挤压机分离得到汽爆小麦秸秆液体和汽爆小麦秸秆固体两部分，使玉小麦秸秆中的半纤维素充分分离出来，汽爆小麦秸秆固体在80℃用质量浓度2%的氢氧化钠蒸煮处理40分钟，进行固液分离，分别获得萃取渣和萃取液，用质量浓度10%的硫酸将萃取液调pH至3.0，温度保持在50℃，酸析时间为30分钟，将沉淀下的木质素经过80目板框过滤，获得湿木质素，湿木质素经过喷雾干燥获得木质素成品，该木质素的纯度为90%，且未经高温处理，为非改性木质素；
b、向萃取渣中加入1000份水，搅拌均匀，再加入5FIU/g纤维素酶，调pH4.8，在50℃维持12h；酶解完成后进行固液分离，分别后的酶解液和酶解残渣，用与残渣等量的水洗涤残渣，洗涤液并入酶解液，残渣中的成分为不易酶解的长纤维，用来生产纸浆，酶解液中是易酶解的短纤维产生的糖类；
c、将汽爆小麦秸秆液体在0.05Mpa，温度50℃条件下减压蒸馏，除去糠醛、有机酸等发酵抑制物，将脱毒后的液体与萃取残渣酶解液混合，将糖含量控制在6%，再用NaOH调至pH6.5，再加入玉米浆、玉米黄浆、玉米黄浆粉和豆粕，使糖含量与蛋白含量之比为15:1，在121℃下灭菌20min，接入质量浓度5%的糖丁酸梭菌（Clostridium saccharoacetobutylicum）和丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）发酵种子培养液，37℃下厌氧发酵72h，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，总溶剂达到20g/L。
实施例2
如图1所示，一种秸秆类原料的综合利用方法，其工艺步骤为：a、取玉米秸秆500份，加水500份，浸泡4min，浸泡玉米秸秆在压力1Mpa下维持5min，获得到汽爆玉米秸秆，向汽爆玉米秸秆中加入750份水，温度控制在65℃充分浸泡20min，再用螺旋挤压机分离得到汽爆玉米秸秆液体和汽爆玉米秸秆固体两部分，使玉米秸秆中的半纤维素充分分离出来，汽爆玉米秸秆固体在90℃用质量浓度3%的氢氧化钠蒸煮处理60分钟，进行固液分离，分别获得萃取渣和萃取液，用质量浓度10%的硫酸将萃取液调pH至3.2，温度保持在55℃，酸析时间为40分钟，将沉淀下的木质素经过80目板框过滤，获得湿木质素，湿木质素经过喷雾干燥获得木质素成品，该木质素的纯度为92%，且未经高温处理，为非改性木质素；
b、向萃取渣中加入2000份水，搅拌均匀，再加入7FIU/g纤维素酶，调pH4.9，在50℃维持15h；酶解完成后进行固液分离，分别后的酶解液和酶解残渣，用与残渣等量的水洗涤残渣，洗涤液并入酶解液，残渣中的成分为不易酶解的长纤维，用来生产纸浆，酶解液中是易酶解的短纤维产生的糖类；
c、将汽爆玉米秸秆液体在0.06Mpa，温度60℃条件下减压蒸馏，除去糠醛、有机酸等发酵抑制物，将脱毒后的液体与萃取残渣酶解液混合，将糖含量控制在6%，再用NaOH调至pH6.7，再加入豆饼粉、麸皮、米糠和酵母粉，使糖含量与蛋白含量之比为18:1，在121℃下灭菌20min，接入质量浓度7%的巴氏芽孢梭菌（Bacillus acetobutylicum）发酵种子培养液，37℃下厌氧发酵72h，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，总溶剂达到21g/L。
实施例3
如图1所示，一种秸秆类原料的综合利用方法，其工艺步骤为：a、取稻草500份，加水700份，浸泡4min，浸泡稻草在压力2Mpa下维持15min，获得到汽爆稻草，向汽爆稻草中加入700份水，温度控制在68℃充分浸泡30min，再用螺旋挤压机分离得到汽爆稻草液体和汽爆稻草固体两部分，使稻草中的半纤维素充分分离出来，汽爆稻草固体在110℃用质量浓度4%的氢氧化钠蒸煮处理100分钟，进行固液分离，分别获得萃取渣和萃取液，用质量浓度10%的硫酸将萃取液调pH至3.4，温度保持在58℃，酸析时间为50分钟，将沉淀下的木质素经过80目板框过滤，获得湿木质素，湿木质素经过喷雾干燥获得木质素成品，该木质素的纯度为94%，且未经高温处理，为非改性木质素；
b、向萃取渣中加入1500份水，搅拌均匀，再加入9FIU/g纤维素酶，调pH4.9，在50℃维持20h；酶解完成后进行固液分离，分别后的酶解液和酶解残渣，用与残渣等量的水洗涤残渣，洗涤液并入酶解液，残渣中的成分为不易酶解的长纤维，用来生产纸浆，酶解液中是易酶解的短纤维产生的糖类；
c、将汽爆稻草液体在0.08Mpa，温度80℃条件下减压蒸馏，除去糠醛、有机酸等发酵抑制物，将脱毒后的液体与萃取残渣酶解液混合，将糖含量控制在7%，再用NaOH调至pH6.8，再加入蛋白胨、硫酸铵、氯化铵和碳酸铵，使糖含量与蛋白含量之比为15―25:1，在121℃下灭菌20min，接入质量浓度8%的巴氏芽孢梭菌（Bacillus acetobutylicum）发酵种子培养液， 38℃下厌氧发酵72h，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，总溶剂达到22g/L。
实施例4
如图1所示，一种秸秆类原料的综合利用方法，其工艺步骤为：a、取油菜杆500份，加水1000份，浸泡5min，浸泡油菜杆在压力3Mpa下维持20min，获得到汽爆油菜杆，向汽爆油菜杆中加入1000份水，温度控制在70℃充分浸泡40min，再用螺旋挤压机分离得到汽爆油菜杆液体和汽爆油菜杆固体两部分，使油菜杆中的半纤维素充分分离出来，汽爆油菜杆固体在120℃用质量浓度5%的氢氧化钠蒸煮处理120分钟，进行固液分离，分别获得萃取渣和萃取液，用质量浓度10%的硫酸将萃取液调pH至3.5，温度保持在60℃，酸析时间为60分钟，将沉淀下的木质素经过80目板框过滤，获得湿木质素，湿木质素经过喷雾干燥获得木质素成品，该木质素的纯度为96%，且未经高温处理，为非改性木质素；
b、向萃取渣中加入2500份水，搅拌均匀，再加入10FIU/g纤维素酶，调pH5.0，在50℃维持24h；酶解完成后进行固液分离，分别后的酶解液和酶解残渣，用与残渣等量的水洗涤残渣，洗涤液并入酶解液，残渣中的成分为不易酶解的长纤维，用来生产纸浆，酶解液中是易酶解的短纤维产生的糖类；
c、将汽爆油菜杆液体在0.1Mpa，温度90℃条件下减压蒸馏，除去糠醛、有机酸等发酵抑制物，将脱毒后的液体与萃取残渣酶解液混合，将糖含量控制在7%，再用NaOH调至pH7，再加入碳酸氢铵、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵，使糖含量与蛋白含量之比为25:1，在121℃下灭菌20min，接入质量浓度10%的糖丁酸梭菌（Clostridium saccharoacetobutylicum）发酵种子培养液， 38℃下厌氧发酵72h，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量，总溶剂达到23g/L。
本发明的优点是：秸秆类原料为小麦、玉米、稻草、油菜，原料来源非常广泛，实现了秸秆中纤维素（长纤维、短纤维）、半纤维素和木质素等成分进行了分离，使各个组分的价值得到充分实现，将纤维素拆分为不易酶解的长纤维和易于酶解的短纤维，降低了纤维素酶的用量和成本，使纤维素的利用达到利润最大化，该发明一方面可以提取出优质木质素，另一方面还为发酵、造纸行业提供廉价的原料，提高了秸秆的综合利用价值，同时解决了丙丁发酵工业化生产的原料来源问题。

Claims (4)

1.一种秸秆类原料的综合利用方法，其特征是：工艺步骤为：
a、将汽爆秸秆进行固、液分离，汽爆秸秆固体用碱法蒸煮处理，从碱萃取液中经过酸析提取优质木质素，工艺为：秸秆原料加水浸泡3―5min，秸秆质量与加水体积的比例为1：1―2，浸泡秸秆在压力0.5―3Mpa下维持3―20min，获得到汽爆秸秆，向汽爆秸秆中加入1―2倍干秸秆质量的水，温度控制在60―70℃充分浸泡15―40min，再用螺旋挤压机分离得到汽爆秸秆液体和汽爆秸秆固体两部分，使秸秆中的半纤维素充分分离出来，汽爆秸秆固体在80―120℃用质量浓度2―5%的氢氧化钠蒸煮处理40―120分钟，进行固液分离，分别获得萃取渣和萃取液，用质量浓度10%的硫酸将萃取液调pH至3.0―3.5，温度保持在50―60℃，酸析时间为30―60分钟，将沉淀下的木质素经过80目板框过滤，获得湿木质素，湿木质素经过喷雾干燥获得木质素成品，该木质素的纯度大于90%，且未经高温处理，为非改性木质素；
b、将步骤a萃取残渣进行酶解，得到酶解残渣和酶解液，酶解残渣用来生产纸浆，工艺为：向萃取渣中加入秸秆干重1―5倍的水，搅拌均匀，再加入5―10FIU/g纤维素酶，调pH4.8―5.0，在50℃维持12―24h；酶解完成后进行固液分离，分别后的酶解液和酶解残渣，用与残渣等量的水洗涤残渣，洗涤液并入酶解液，残渣中的成分为不易酶解的长纤维，用来生产纸浆，酶解液中是易酶解的短纤维产生的糖类；
c、将步骤a汽爆秸秆液体经脱毒后，将酶解液与步骤b酶解液合并，添加氮源，进行丙丁发酵，工艺为：将汽爆秸秆液体在0.05―0.1Mpa，温度50―90℃条件下减压蒸馏，除去糠醛、有机酸等发酵抑制物，将脱毒后的液体与萃取残渣酶解液混合，将糖含量控制在6%―7%，再用NaOH调至pH6.5―7，再加入氮源，使糖含量与蛋白含量之比为15―25:1，在121℃下灭菌20min，接入质量浓度5―10%的丙酮丁醇发酵种子培养液，37―38℃下厌氧发酵72h，用气相色谱测定发酵液中的溶剂含量。
2.根据权利要求1所述的一种秸秆类原料的综合利用方法，其特征在于：所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、稻草或油菜杆。
3.根据权利要求1所述的一种秸秆类原料的综合利用方法，其特征在于：所述氮源为：玉米浆、玉米黄浆、玉米黄浆粉、豆粕、豆饼粉、麸皮、米糠、酵母粉、蛋白胨中的任何一种或组合物。
4.根据权利要求1所述的一种秸秆类原料的综合利用方法，其特征在于：所述丙丁发酵生产用的菌种为糖丁酸梭菌、丙酮丁醇梭菌、巴氏芽孢梭菌中任意一种或者两种组合。
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王娜娜等.纤维素酶水解玉米秸秆的影响因素研究.《化学与生物工程》.2011,第28卷(第6期),
纤维素酶发酵生产及其降解秸秆性能研究;杨春燕;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20110615;第2011年卷(第06期);49，51-54 *
纤维素酶水解玉米秸秆的影响因素研究;王娜娜等;《化学与生物工程》;20110625;第28卷(第6期);80-82 *

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