CN103849664A - 一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其具体步骤为：(1)将木质纤维素原料进行前处理；(2)将步骤(1)得到的木质纤维素原料进行预处理；(3)调节步骤(2)得到的木质纤维素原料的固体含量，并在磨浆机上进行磨浆处理；(4)将步骤(3)得到的木质纤维素浆液进行下一步的酶水解和生物加工处理。本发明的优点：通过对预处理后木质纤维素原料进行磨浆，降低了木质纤维素原料的粒径，增大了酶解过程纤维素与酶的接触面积，促进了酶解速率和效率，强化了木质纤维素原料的预处理效果，降低了预处理过程的能耗和成本，其具有较好的流态化性能，增加了过程加工效率，减少了预处理后原料染菌的风险。

Description

一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法
【技术领域】
本发明涉及生物炼制与生物能源领域，具体的是一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法。
【背景技术】
木质纤维素原料是世界上最丰富的可再生资源之一，其结构复杂，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中纤维素和半纤维素可以通过水解而用于以糖为平台的生物炼制过程。但是，纤维素被半纤维素和木质素通过共价键形成的网络结构紧密包裹起来，从而形成了一种顽固致密的结构。于是在生物转化木质纤维素原料之前必须对其进行预处理，来打破半纤维素与木质素的网络结构从而使纤维素暴露，并进一步降低纤维素的聚合度和结晶度，提高纤维素的酶可接触性及酶解效率。因此，预处理过程对于以木质纤维素为原料的生物炼制产业的发展起着至关重要作用。
木质纤维素的预处理方法主要分为物理法、化学法、生物法和物化法等。物理法主要包括机械处理、高温水热处理等方法，尽管这类预处理方法可以提高纤维素在酶解时的转化率，但是能耗较高且预处理效果有限而导致其不能广泛应用；化学法主要有酸处理、碱处理、有机溶剂预处理等方法，这些预处理方法能够有效促进纤维素的酶解效率，但是存在着严重的环境污染问题，并且污水处理成本较高；生物法预处理主要是利用白腐真菌类微生物降解木质素，从而提高纤维素的酶解效率，但是其处理周期很长、操作条件要求严格、过程易染菌，而且预处理效果一般。
目前，研究比较深入、应用最为广泛的木质纤维素原料预处理方法当属高温稀酸预处理和蒸汽膨爆预处理。但是预处理强度过高、能耗过大以及预处理过程中产生的大量对后续酶解和发酵产生强烈抑制作用的化合物的产生，都大大限制了这些预处理方法的推广和应用。
对于上述现有预处理方法中存在的技术不足，有必要开发一种快速、节能、高效，且成本低廉、操作简单的后处理方法，来强化预处理效果，从而降低预处理强度以及减少预处理过程产生的抑制物，进而提高木质纤维素的转化效率。同时，磨浆后的木质纤维素原料具有较好的流态化性能，可以通过泵进行输送，增加了过程加工效率，减少了预处理后原料染菌的风险。
【发明内容】
本发明目的在于克服现有木质纤维素原料预处理技术的不足，提供一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，通过降低现有预处理方法的温度、压力或酸碱用量来降低预处理的强度，从而有效的降低预处理过程的能耗，减少预处理过程产生的抑制物含量，减少污染物对环境的影响。进一步通过磨浆处理强化预处理效果，降低预处理后物料的粒径尺寸，提高木质纤维素原料的酶解性，有利于对木质纤维素酶解产物的再加工。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，具体步骤为：
(1)将木质纤维素原料进行前处理，包括粗粉、除尘、除沙步骤；
所述的木质纤维素原料选自玉米秸秆、麦秆、稻秆、棉秆、油菜秆、甜高粱茎秆、甘蔗渣、木屑、废纸、柳枝稷或者麻风树籽壳、玉米芯及玉米芯工业残渣(制木糖、木糖醇或糠醛后的残渣)中的一种或几种混合物；
(2)将步骤(1)得到的木质纤维素原料进行预处理；
预处理采用的方法选自蒸汽膨爆预处理方法、高温稀酸预处理方法、高温SO2预处理方法、氨纤维膨爆预处理方法、液氨循环渗透预处理方法、二氧化碳膨爆预处理方法、碱石灰预处理方法或者湿氧化法中的一种或几种组合方法。
预处理方法所用的设备为反应器；所述的反应器的釜体上安装有机械搅拌装置，机械搅拌装置包括外置马达以及组合搅拌桨，组合搅拌桨为螺带桨和刮底桨；螺带桨通过支撑杆固定在搅拌轴上，并自上而下盘旋在搅拌轴周边，构成框体；刮底桨固定在搅拌轴的底端，并且贴近釜体底部；刮底桨为桨式或者锚式桨。
(3)将步骤(2)得到的木质纤维素原料并在磨浆机上进行磨浆处理，进一步降低木质纤维素的粒径；磨浆的方法为利用磨浆机进行磨浆处理；待磨浆处理的物料加入水，调节其固含量为5～30％，此处的固含量是指固体物料(主要是木质纤维素原料)在磨浆体系中所占的质量百分数；磨浆过程不添加其它化学试剂；磨浆处理1～20次，每次时间为1～10min；磨浆处理后的木质纤维素浆液的粒径分布为0.001～1mm，优选为0.01～0.1mm。
磨浆处理所利用磨浆机类型包括：盘式磨浆机、柱式磨浆机以及锥式磨浆机。
(4)将步骤(3)得到的木质纤维素泥浆用于进行下一步的酶水解和发酵加工过程。
酶水解中采用的酶选自纤维素酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、木质素酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种混合酶；
发酵加工过程包括对木质纤维素物料酶水解得到产物的乙醇发酵、沼气发酵、油脂发酵以及所有以糖为平台的生物炼制过程。
与现有技术相比，本发明的积极效果与益处具体如下：
(1)本发明在传统的预处理方法之后增加了磨浆处理工艺，通过降低预处理强度，并以磨浆处理进一步弥补和强化前期预处理效果。有效降低了因高强度预处理方法带来的高能耗、高抑制物含量及对环境的污染。
(2)经过本发明处理后的木质纤维素原料粒径明显降低，进而增加了木质纤维素原料的比表面积，有效提高了纤维素及半纤维素的转化率，缩短了酶解反应时间，节省纤维素酶用量，有效的加强了酶解程度和效率，使生物炼制产物的得率显著提高。
(3)经过本发明处理后的木质纤维素原料可以直接达到后续生物加工过程对原料固体含量的要求，无需添加水再次调节固体含量。从而有效的简化了操作工序，进一步降低了操作成本。
【附图说明】
图1本发明的反应器的结构示意图；
附图中的各标号分别为：1、加料器，2、加料口，3、螺带桨，4、釜体外壁测温管，5、测温口，6、保温层，7、刮底桨，8、高温蒸汽入口，9、出料口，10、密封螺丝，11、排水口，12、传动装置。
【具体实施方式】
实施例1
将玉米芯工业残渣压榨除水后，直接加入自来水，调节其固体含量为5％(w/w)，在盘磨上进行磨浆处理一次，磨浆时间1min，得到粒径分布0.05～0.15mm的木质纤维素浆液。取磨浆后的浆液放入锥形瓶中，并加入纤维素酶(上海尤特尔生化有限公司)，酶量为15FPU/g干物料，在50℃、pH 5.5、150rpm条件下酶解6h，纤维素的转化率可以达到70.41％。未经磨浆处理的玉米芯工业残渣，在相同条件下酶解，纤维素的转化率只有53.93％。
实施例2
将风干的玉米秸秆进行粗粉碎，除去其中的沙粒尘土等杂物，置于预处理反应器，在160℃、0.5MPa、稀硫酸的浓度为1％(w/w)，木质纤维素干固体与稀酸的质量比为1∶1条件下，进行稀硫酸预处理15min，与处理所用的设备为反应器。向预处理后的秸秆原料加水，调节其固体含量为20％(w/w)，在盘磨上进行磨浆处理一次，磨浆一次时间5min，得到粒径0.01～0.08mm的木质纤维素浆液。取磨浆后的秸秆浆液放入锥形瓶中，加自来水调节固含量为5％(w/w)，并加入纤维素酶(上海尤特尔生化有限公司)，酶量为15FPU/g干物料，在50℃、pH4.8、150rpm条件下酶解72h，纤维素的转化率可以达到82.79％。未经磨浆处理的预处理后的秸秆原料，在相同条件下酶解，纤维素的转化率只有58.93％。
参见附图1，所述的反应器的釜体上安装有机械搅拌装置，机械搅拌装置包括外置马达以及组合搅拌桨，其特征在于，组合搅拌桨为螺带桨3和刮底桨7；螺带桨通过支撑杆固定在搅拌轴上，并自上而下盘旋在搅拌轴周边，构成框体；刮底桨固定在搅拌轴的底端，并且贴近釜体底部；刮底桨为桨式或者锚式桨。
所述的机械搅拌装置，即传动装置12，由电机直接带动搅拌或电机-磁钢传动磁力搅拌，机械搅拌装置通过螺栓固定在釜体顶部。
所述的螺带桨的外缘设有刮片单元，可以有效清除预处理过程中预处理反应器内表面粘贴的物料。
螺带桨保证了预处理过程可以在0～100％的固体含量条件下进行蒸汽、硫酸和木质纤维素原料的有效混合，避免局部温度过高和抑制物的过量生成；螺带桨外缘的刮片结构可以保证预处理后的物料都能够排出反应器，避免了大量预处理物料的釜内残留。
搅拌桨的加入，使预处理时反应器可以填满木质纤维素原料，从而降低预处理过程的蒸汽能耗和水耗，减少预处理废水的产生。
所述的釜体上设有高温蒸汽入口8、测温口5、釜体外壁测温管4、保温层6、底部出料口9和底部排水口11；高温蒸汽入口嵌入釜体底部，四个蒸汽入口均位于底部同一平面四个对称位置；测温口是由不锈钢制备的热电偶夹套，从罐体顶部深入反应釜内；釜体外壁测温管位于釜体背部，并紧贴反应釜外壁；保温层是在釜体外壁缠绕加热带、石棉等保温材料。
釜体外壁测温管测定预处理中釜体外壁温度；上部测温口伸入釜体测定釜中心温度；釜体底部设有出料口，出料口由五个密封螺丝10保证釜体密封性以及在预处理中釜体内能维持4.0MPa压力，出料时拧开密封螺丝，向下卸开出料极为方便；底部排水口用于排出预处理中产生的少量冷凝水。
在釜体上端设有加料器1，下端设有放料口2；
加料器通过螺纹与加料口相连，是通过外接连接于釜体内部的进料装置，加料器含有螺杆输送单元，通过固定轴与外动力相连，适于输送固体或半固体的木质纤维素原料进入釜内，物料经过螺杆的剪切作用后进入釜体内部，进一步降低物料粒径，使其预处理更加充分。
釜体上的外壁测温管和测温口的设置不影响螺带桨的全空间混合与搅拌；同时，与釜体配套的还有温度显示仪和压力显示器，温度显示仪是显示测温口和反应釜外壁测温管的外接温度显示装置，而在釜体上部有釜体压力感应显示器，实时对体系的温度和压力进行监测，以便控制最佳的预处理反应条件。
本发明所涉及的木质纤维素原料的处理方法不局限于蒸汽爆破预处理和高温稀酸预处理方法，还可以为高温SO2预处理方法、氨纤维膨爆预处理方法、液氨循环渗透预处理方法、二氧化碳膨爆预处理方法、碱石灰预处理方法或者湿氧化法中的一种或几种组合方法。
本发明所涉及的酶不局限于纤维素酶，还可以为纤维二糖酶、木聚糖酶、木质素酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种混合酶。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)将木质纤维素原料进行前处理，包括粗粉、除尘、除沙步骤；
(2)将步骤(1)得到的木质纤维素原料进行预处理；
(3)将步骤(2)得到的木质纤维素原料并在磨浆机上进行磨浆处理，进一步降低木质纤维素的粒径；磨浆的方法为利用磨浆机进行磨浆处理；待磨浆处理的物料加入水，调节其固含量为5～30％，磨浆过程不添加其它化学试剂；
(4)将步骤(3)得到的木质纤维素泥浆用于进行下一步的酶水解和发酵加工过程。
2.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述的木质纤维素原料选自玉米秸秆、麦秆、稻秆、棉秆、油菜秆、甜高粱茎秆、甘蔗渣、木屑、废纸、柳枝稷或者麻风树籽壳、玉米芯及玉米芯工业残渣中的一种或几种混合物。
3.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，预处理采用的方法选自蒸汽膨爆预处理方法、高温稀酸预处理方法、高温SO2预处理方法、氨纤维膨爆预处理方法、液氨循环渗透预处理方法、二氧化碳膨爆预处理方法、碱石灰预处理方法或者湿氧化法中的一种或几种组合方法。
4.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，预处理方法所用的设备为反应器；反应器的釜体上安装有机械搅拌装置，机械搅拌装置包括组合搅拌桨，组合搅拌桨为螺带桨和刮底桨；螺带桨通过支撑杆固定在搅拌轴上，并自上而下盘旋在搅拌轴周边，构成框体；刮底桨固定在搅拌轴的底端，并且贴近釜体底部；刮底桨为桨式或者锚式桨。
5.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中，磨浆处理所利用磨浆机类型包括：盘式磨浆机、柱式磨浆机以及锥式磨浆机。
6.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中，磨浆处理1～20次，每次时间为1～10min。
7.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中，磨浆处理后的木质纤维素浆液的粒径分布为0.001～1mm。
8.如权利要求7所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，磨浆处理后的木质纤维素浆液的粒径分布为0.01～0.1mm。
9.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(4)中，酶水解中采用的酶选自纤维素酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、木质素酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种混合酶。
10.如权利要求1所述的一种强化木质纤维素原料预处理效果的磨浆后处理方法，其特征在于，在所述的步骤(4)中，发酵加工过程包括对木质纤维素物料酶水解得到产物的乙醇发酵、沼气发酵、油脂发酵以及所有以糖为平台的生物炼制过程。
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