CN103224966B - 干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法，包括如下步骤：（1）将新鲜秸秆粉碎，干燥，封装在密封装置中，无氧存储；（2）将干存储秸秆在蒸汽爆破反应器内用蒸汽加热，瞬间释放压力，得到固液混合物；（3）将固液混合物固液分离，固体用去离子水洗、干燥，加入纤维素酶和水，调pH，酶解，固液分离，得到富含葡萄糖和木糖的液体。本发明的方法使干存储秸秆有效的保存了生物质成分，密闭无氧干存储降低了微生物对秸秆的降解作用。干存储秸秆蒸汽爆破预处理后，预处理秸秆糖含量高，预处理过程糖回收率高、降解产物少。干存储耦合蒸汽爆破预处理，秸秆的酶解糖化率明显提高。

Description

干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法

技术领域

本发明涉及生物质新能源技术领域，特别涉及干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法。

背景技术

21世纪以来，随着能源危机、环境污染和粮食短缺问题日益突出，发达国家和发展中国家越来越认识到寻求清洁、可再生能源的迫切性。世界能源发展正步入一个崭新的时期，即世界能源结构正在经历由化石能源为主向可再生能源为主的变革。木质纤维素乙醇因被当作最佳液体替代燃料并具有生态效益而成为工业生物技术的研究热点，其与当今能源危机和环境污染等问题的解决密切相关。

木质纤维素乙醇是人们寻求替代能源的重要方向。其经历了两个阶段，以玉米、小麦等粮食作物作为生产原料的第一代生物燃料技术和以麦秆、草和木材等农林废弃物为主要原料的第二代生物燃料技术。日趋严峻的世界粮食形势，使第一代生物燃料渐失优势，遵循不“与粮争地”，不“与人争食”方针的第二代生物燃料正成为未来生物质能源发展的方向。木质纤维素是地球上最丰富、最廉价，且符合可持续发展要求的可再生资源。中国生物质资源量非常巨大，每年农作物秸秆产量约为7亿吨，其它农业废物大约1.3亿吨；林业生物质资源每年可用于能源用途大约3亿吨；城市固体废弃物年产量大约1.5亿吨。

木质纤维素乙醇工艺主要包括原料的种植和收割、存储和粉碎、预处理、酶解和发酵等单元操作。由于秸秆收割具有季节性，因而不能一次性利用，必须进行存储。其中原料的存储不但会影响生物质转运和理化特性，而且还会显著影响预处理、酶解和发酵。同时，原料的存储所需成本在纤维素乙醇生产中占有很高比重，并且会显著影响糖得率和乙醇产率。传统的干存储技术，生物质干物质的丢失在10～25%，并且容易引起火灾。天然木质纤维素本身结构紧密，必须对其进行预处理。预处理方法主要包括物理法、化学法、物理化学法和生物法。蒸汽爆破预处理被认为是一种具有应用前景的预处理技术。蒸汽爆破过程主要包括两个过程：自水解过程和爆破过程。蒸汽爆破预处理不添加任何催化剂，处理时间短，对环境无污染，能耗较低。

但是，如何有效的将干存储秸秆与蒸汽爆破预处理耦合实现秸秆高效利用尚未报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有的干存储技术成本高、秸秆干物质损失多，预处理效率低、污染大等问题，提出一种干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法。

本发明的技术方案概述如下：

干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法，包括如下步骤：

（1）将新鲜秸秆粉碎，干燥，封装在密封装置中，无氧存储；

（2）将步骤（1）获得的干存储秸秆在蒸汽爆破反应器内用蒸汽加热，瞬间释放压力，得到固液混合物；

（3）将所述固液混合物固液分离，固体用去离子水洗、干燥，干燥物加入纤维素酶和水，调pH=4.5-5.5，酶解，然后固液分离，得到富含葡萄糖和木糖的液体。

步骤（1）较好的是：将新鲜秸秆粉碎，干燥至含水质量为5%-20%，按照60g/L-180g/L的密度封装在密封装置中，无氧存储1-12个月。

步骤（2）较好的是：将步骤（1）获得的干存储秸秆在蒸汽爆破反应器内用蒸汽加热到温度为160℃-220℃，维持3-10min，瞬间释放压力，得到固液混合物。

步骤（3）较好的是：将所述固液混合物固液分离，固体用去离子水洗、干燥，按1g干燥后的干燥物、3FPU-36FPU的纤维素酶和6-24g水的比例将干燥物和纤维素酶加到水中，调pH=4.5-5.5，酶解48-168h，固液分离，得到富含葡萄糖和木糖的液体。

秸秆优选为玉米秸秆、高粱秸秆、水稻秸秆或小麦秸秆。

秸秆粉碎的长度为1.0cm-4.0cm。

粉碎后秸秆干燥的温度优选为10℃-60℃。

步骤（1）所述密度优选为80g/L-150g/L。

步骤（2）所述的温度优选为180℃-210℃，维持时间优选为4-9min。

去离子水的温度优选为45℃-75℃。

本发明具有如下优点：

（1）本发明干存储秸秆有效的保存了生物质成分，密闭无氧干存储降低了微生物对秸秆的降解作用。

（2）干存储秸秆蒸汽爆破预处理后，预处理秸秆糖含量高，预处理过程糖回收率高、降解产物少。

（3）干存储耦合蒸汽爆破预处理，秸秆的酶解糖化率明显提高。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进一步说明：

实施例1

干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法，包括如下步骤：

（1）将收割的新鲜整棵玉米秸秆粉碎到长度为2.0±0.2c m，30℃干燥至含水质量为5%，按体积密度为60g/L封装在密封袋中，无氧存储1个月；

（2）将步骤（1）获得的干存储秸秆加入到间歇式蒸汽爆破反应器内，关闭反应器物料进口阀，通入蒸汽加热秸秆，至反应温度为210℃，维持4min，瞬间释放压力，将物料爆破到接收罐中，冷却10min；开启接收罐物料出口阀，收集蒸汽爆破预处理的固液混合物；

（3）将固液混合物进行固液分离，固体用60℃去离子水清洗，干燥；按1g干燥后的干燥物、36FPU的纤维素酶和12g水的比例将干燥物和纤维素酶加到水中，用1M柠檬酸钠缓冲液调节溶液pH=5.0，在50℃，200rpm摇床中酶解反应168h，固液混合物在12000rpm下离心10min，得到富含葡萄糖和木糖的液体，酶解葡聚糖转化率为95%，木聚糖转化率为83%。

实施例2

干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法，包括如下步骤：

（1）将收割的新鲜整棵水稻秸秆粉碎到长度为1.2±0.2cm，10℃干燥至含水质量为20%，按体积密度80g/L封装在密封罐中，无氧存储3个月；

（2）将步骤（1）获得的干存储秸秆加入到蒸汽爆破反应器内，关闭反应罐物料进口阀，通入蒸汽加热秸秆，至反应温度为160°C，维持10min，瞬间释放压力，将物料爆破到接收罐中，冷却10min，开启接收罐物料出口阀，收集蒸汽爆破预处理的固液混合物；

（3）将固液混合物进行固液分离，固体用45℃去离子水清洗，干燥，按1g干燥后的干燥物、18FPU的纤维素酶和6g水的比例将干燥物和纤维素酶加到水中，用1M柠檬酸钠缓冲液调节溶液pH=4.5，在50℃，200rpm摇床中酶解反应96h，固液混合物在12000rpm下离心10min，得到富含葡萄糖和木糖的液体，酶解葡聚糖转化率为92%，木聚糖转化率为78%。

实施例3

干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法，包括如下步骤：

（1）将收割的新鲜整棵小麦秸秆粉碎到平均长度为3.8±0.2cm，45℃干燥至含水质量为6%，按体积密度150g/L封装在密封窖中，无氧存储9个月；

（2）将步骤（1）获得的干存储秸秆加入到蒸汽爆破反应器内，关闭反应器物料进口阀，通入蒸汽加热秸秆，至反应温度为180℃，维持9min，瞬间释放压力，将物料爆破到接收罐中，冷却10min，开启接收罐物料出口阀，收集蒸汽爆破预处理的固液混合物；

（3）将固液混合物进行固液分离，固体用75°C去离子水清洗，干燥，按1g干燥后的干燥物、3FPU的纤维素酶和24g水的比例将干燥物和纤维素酶加到水中，用1M柠檬酸钠缓冲液调节溶液pH=5.5，在50℃，200rpm摇床中酶解反应48h，固液混合物在12000rpm下离心10min，得到富含葡萄糖和木糖的液体，酶解葡聚糖转化率为95%，木聚糖转化率为81%。

实施例4

干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法，包括如下步骤：

（1）将收割的新鲜整棵高粱秸秆粉碎到平均粒径为3.0±0.2cm，60℃干燥至含水质量为10%，按体积密度180g/L封装在密封袋中，无氧存储12个月；

（2）将步骤（1）获得的干存储秸秆加入到间歇式蒸汽爆破反应器内，关闭反应罐物料进口阀，通入蒸汽加热秸秆，至反应温度为220℃，维持3min，瞬间释放压力，将物料爆破到接收罐中，冷却10min，开启接收罐物料出口阀，收集蒸汽爆破预处理的固液混合物；

（3）将固液混合物进行固液分离，固体用60°C去离子水清洗，干燥，按1g干燥后的干燥物、12FPU的纤维素酶和18g水的比例将干燥物和纤维素酶加到水中，用1M柠檬酸钠缓冲液调节溶液pH=5.0，在50℃，200rpm摇床中酶解反应120h，固液混合物在12000rpm下离心10min，得到富含葡萄糖和木糖的液体，酶解葡聚糖转化率为92%，木聚糖转化率为81%。

Claims (9)

1.干存储耦合蒸汽爆破预处理提高秸秆酶解糖化效率的方法，其特征是包括如下步骤：

(1)将新鲜秸秆粉碎，干燥至含水质量为5％-20％，按照60g/L-180g/L的密度封装在密封装置中，无氧存储1-12个月；

(2)将步骤(1)获得的干存储秸秆在蒸汽爆破反应器内用蒸汽加热，瞬间释放压力，得到固液混合物；

(3)将所述固液混合物固液分离，固体用去离子水洗、干燥，干燥物加入纤维素酶和水，调pH＝4.5-5.5，酶解，然后固液分离，得到富含葡萄糖和木糖的液体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤(2)为：将步骤(1)获得的干存储秸秆在蒸汽爆破反应器内用蒸汽加热到温度为160℃-220℃，维持3-10min，瞬间释放压力，得到固液混合物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤(3)为：将所述固液混合物固液分离，固体用去离子水洗、干燥，按1g干燥后的干燥物、3FPU-36FPU的纤维素酶和6-24g水的比例将干燥物和纤维素酶加到水中，调pH＝4.5-5.5，酶解48-168h，固液分离，得到富含葡萄糖和木糖的液体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的秸秆为玉米秸秆、高粱秸秆、水稻秸秆或小麦秸秆。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是秸秆粉碎的长度为1.0cm-4.0cm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是粉碎后秸秆干燥的温度为10℃-60℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述密度为80g/L-150g/L。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征是步骤(2)所述的温度为180℃-210℃，维持时间为4-9min。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征是去离子水的温度为45℃-75℃。