CN103667360A

CN103667360A - 农作物秸秆光合产氢的预处理方法

Info

Publication number: CN103667360A
Application number: CN201310639170.XA
Authority: CN
Inventors: 曾德芳; 唐宏泉; 严欢; 陈玉国; 蔡振华
Original assignee: WUHAN NATURE'S JOY PLANT-NUTRI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN NATURE'S JOY PLANT-NUTRI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法，包括将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物；向第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min-35min得到第二产物；将第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性或微碱性得到预处理产物。采用本发明的上述农作物秸秆光合产氢的预处理方法，将秸秆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部分β-1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。更有利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合产氢的速率和原料的转化率。

Description

农作物秸秆光合产氢的预处理方法

技术领域

本发明涉及光合产氢技术领域，特别涉及一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法。

背景技术

众所周知光合细菌（Photosynthetic bacteria，PSB）在光照的条件下，其菌体光捕获复合体上的细菌叶绿素Bch1和类胡萝卜素吸收光子后，将能量传送到光合反应中心RC，从而产生一个高能电子e*，由于光合细菌只具有光合系统I(PSI)，所以该高能电子只能经环式磷酸化产生ATP或者非环式磷酸化产生少量ATP和NADH₂(或NADPH₂)。光合细菌的固氮酶利用光合磷酸化产生的ATP及NADH₂(或NADPH₂)所提供的H⁺和e^-，并没有完全将N₂还原成NH₃，而是有一部分e^-在氢酶的协同作用下将H⁺还原为H₂。

而在我国年产约7×10⁹t的农作物秸秆，秸秆中富含大量的木质纤维素，通过生物发酵等处理可以转化为可再生糖类资源，而产生的糖类是光合细菌在发酵产氢过程中所需的原料底物，成本低收益高，因此在生物产氢的工业生产中常常被采用。

但是现有利用秸秆光合作用生产氢气能源的过程中，由于秸秆本身的物质组成中所含有的大量难降解的木质素和纤维素组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维聚合物。这些结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性，非常难于被厌氧微生物利用，因此采用秸秆进行产氢的转化速度和转化率非常低，在使用中难以达到预期的效果。

发明内容

本发明的主要目的为了弥补上述问题，提供一种能有效改善光合产氢的秸秆的结构成分、使之能较好地被光合细菌用于发酵从而实现提高产氢转化速度和转化率的预处理方法。

本发明提出一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法，包括如下步骤：

将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物；

向所述第一产物加入质量分数为20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min-35min得到第二产物；

将所述第二产物冷却至25℃左右，并用碱液调节pH值至中性或微碱性得到预处理产物。

优选地，所述将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物步骤中，第一产物破碎至超微细度。

优选地，向所述第一产物中加入乙酸溶液的浓度为25%。

优选地，所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持31min。

优选地，将农作物秸秆进行机械粉碎的同时加入双氧水，并在40-60度的温度下进行机械破碎。

优选地，所述机械破碎为震动球磨研磨破碎。

优选地，所述高温高压条件为：温度100℃-130℃、气压102kPa-104kPa。

采用本发明的上述农作物秸秆光合产氢的预处理方法，针对光合细菌发酵产氢过程中，原始秸秆中性质稳定的纤维结构无法进行良好利用的问题，将秸秆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部分β-1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。更利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合产氢的速率和原料的转化率。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法。

本发明的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，基于物理和化学反应机理，包括如下步骤：

S10，将农作物秸秆进行机械粉碎。

一般农作物秸秆（比如高粱秆、麦秆、稻秆）其本身的体积比较大，其外表面均含有外壁，在有外壁的情形下难以直接被光合细菌利用，因此首先将农作物的秸秆进行机械粉碎。

上述步骤中可以采用常用的干法粉碎，直接将原料破碎至比较合适的细度。为了取得更好的效果，本实施方式中，采用震动球磨研磨破碎的方法，将秸秆通过震动球磨机械冲击中进行研磨。通过球磨的震动对秸秆进行机械方式的破碎，相比其他的破碎方法可以使纤维素的结构松散，和使微纤中及微纤间晶区中存在的分子间氢键断裂，从而使棉纤维的水解速率和糖类物质的转化率提高。

通过对秸秆进行机械粉碎至使原料的尺寸变小，一方面增大了纤维素原料的比表面积，另一方面破坏了其结晶性，经粉碎的纤维素粉末没有膨胀性，体积小，可以提高基质浓度，更加利于光合细菌的利用。

S20，将秸秆经机械粉碎后的第一产物加入浓度为20%-30%的乙酸后，在高温高压环境下保持15min-35min。

在实际中，是将秸秆机械粉碎后的产物加入上述比例的乙酸溶液至湿润的程度，然后在置入高压灭菌锅中保持15min-35min，一般高压灭菌锅中的温度100℃-13℃、压力为102kPa-104kPa。

将上述粉碎后的秸秆产物进行高温高压处理，由于添加了乙酸，那么在高温高压处理的过程中，秸秆中的纤维素、半纤维素等等会在酸性条件下发生水解反应，产生还原性糖类物质用于光合细菌发酵过程中的底物和原料，直接被光合细菌利用。同时更加主要地，乙酸这一物质本身可以作为光合细菌产氢的底物和催化，比如沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)可以直接以乙酸为底物进行光合产氢的原料进行反应，且反应的速率和产物的转化率比较高。

同时，经过该步骤处理，还能将秸秆中本身存在的其他杂菌灭除，以防止在发酵过程中对光合细菌生长产生抑制干扰。

S30，将步骤S20处理之后的第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性或者微碱性。

由于在步骤S20中获取的第二产物中，由于其还含有一定量的乙酸，在酸性的环境下，光合细菌大多无法正常生长，而不能进行发酵产氢，因此需要进行pH值调整，使产物的化学环境适于光合细菌生长。

采用本发明的上述农作物秸秆光合产氢的预处理方法，针对光合细菌发酵产氢过程中，原始秸秆中性质稳定的纤维结构无法进行良好利用的问题，将秸秆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部分β-1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。更加利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合产氢的速率和原料的转化率。

进一步地，在上述实施方式中，步骤S10中将秸秆原料破碎至超微的细度，因为出于上述破坏纤维结构和增加光合细菌发酵中接触的立意，本发明中分别采取将同样质量（每次5g，重复3次）的秸秆原料机械破碎至120目、150目、180目和超微的细度，按照上述预处理之后的产物取相同的质量的预处理产物，用碱性酒石酸铜液滴定法进行还原性糖的量的测试结果如下表1。

表1：

破碎细度	120目	150目	180目	超微
					还原性糖得率	8.24%	12.63%	16.57%	24.66%

因此，本发明优选将机械破碎的细度至超微，那么破碎的更彻底，预处理后限位结构破坏和分解的程度高，且与光合细菌在发酵中产生的酶的亲和接触更加容易。

同时，在上述实施方式中，机械破碎的过程中，可以加入双氧水，并将破碎的温度升温至40℃-60℃。这一手段提供一个温湿且氧化的环境，将秸秆原料在破碎过程中会发生氧化，秸秆纤维结构能保持原来的骨架，但是又能使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素分离，这样得到的纯度较高。

进一步地，在上述实施方式中，步骤S20中加入乙酸的浓度为25%。在上述步骤下为了取得更优的方案，较少原料浪费，提升产率，取上述相同质量比重的秸秆原料按照上述预处理的过程进行处理，但对于添加的乙酸的浓度分别控制为16%、19%、22%、25%、29%；并同样采用碱性酒石酸铜液滴定法进行还原性糖的量的测试结果如下表2。

表2：

乙酸浓度	16%	19%	22%	25%	29%
						还原性糖得率	24.68%	28.73%	32.47%	38.75%	30.49%

针对上述情形，可能是由于乙酸的浓度超过一定的值时，所产生的还原性糖在乙酸的条件下分解或者转化，使得产率降低，因此本发明采用25%的浓度为最适的浓度。那么可以本发明的方案在最优的情形下进行工业实施。

进一步地，在上述实施方式中，为了保证在加入乙酸之后的纤维降解能够比较好，那么同样在采用取相同质量比重的秸秆原料按照上述预处理的步骤进行处理，但是将步骤S20中的加入乙酸后在高温高压下保持的时间分别控制为15min、19min、23min、27min、31min、35min；同样再采用碱性酒石酸铜液滴定法进行还原性糖的量的测试结果如下表3。

表3：

时间	15	19	23	27	31	35
							还原性糖得率	24.64%	29.37%	32.41%	38.49%	45.67%	32.45%

经过上述情形，可能在保持一定时间以后，由于水解过程的进行，水解已经达到平衡，同时产物开始分解或者异构生成其他的物质，导致目标产物降低，因此同样为了取得更好的效果，在上述实施方式中，步骤S20的时间控制在31min，效果和成本的收益比最大。

将本发明中经过上述预处理之后的原料与直接研磨成粉的秸秆材料，在相同的条件下进行发酵培养，生产氢气。具体如下：

以玉米杆子为原料，选取上述预处理之后的玉米杆子料液（密度调整为65g/L）和直接切碎秸秆并采用20%葡萄糖缓冲液做溶剂着制成的对照组料液（密度也调整为65g/L），接种处于对数期的光合细菌的种子液，接种量18%-25%，然后在厌氧发酵罐中进行发酵培养。并且控制光照强度为2900Lx，大致在不足一个星期进入生长衰退期之前就可以结束培养。

在培养的过程中达到稳定期时产氢的效率经过乙酸预处理后的为34.68mL/h.L；而对照组的产氢效率为18.75mL/h.L，且还有一部分产氢是因为对照中葡糖糖底物的原因，因此可以比较明显地看出采用本发明的上述与处理之后的步骤具有显著的提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物；

向所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min-35min得到第二产物；

将所述第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性或微碱性得到预处理产物。

2.如权利要求1所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物步骤中，第一产物破碎至超微细度。

3.如权利要求1或2所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，向所述第一产物中加入乙酸溶液的浓度为25%。

4.如权利要要求1或2所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持31min。

5.如权利要求2所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，将农作物秸秆进行机械粉碎的同时加入双氧水，并在温度为40℃-60℃下进行机械破碎。

6.如权利要求5所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述机械破碎为震动球磨研磨破碎。

7.如权利要求4所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述高温高压条件为：温度100℃-130℃、气压102kPa-104kPa。