CN106906265A - 一种无废液产生的秸秆预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对蒸汽爆破预处理的缺点，在蒸汽爆破预处理前用一定浓度NaOH溶液按一定料液比预处理秸秆原料，可破坏原料中部分木质素，提高蒸汽爆破预处理效果，同时可减少蒸汽爆破过程中抑制物的生成，从而免去蒸汽爆破预处理后对物料的水洗步骤。NaOH溶液处理过程中秸秆含水量低于100％，物料处于湿润无流动水状态，处理过程中不产生废液，该方法设备简单，操作方便，不污染环境，经蒸汽爆破后的物料不需水洗。

Description

一种无废液产生的秸秆预处理方法
技术领域
本发明属于木质纤维素预处理领域，主要涉及一种采用NaOH溶液结合蒸汽爆破处理木质纤维素原料的方法，处理过程中无废液产生，并可提高蒸汽爆破预处理效果并降低蒸汽爆破预处理后抑制物的形成，从而提高木质纤维素生物质酶解效率。
背景技术
能源危机与环境压力一直迫使着人类寻求一种新的可再生能源，中国是农业大国，农作物秸秆年产生量有约7亿吨，其中稻草秸秆约有1.8亿吨，这些木质纤维素生物质是一种极具开发潜力的可再生能源，寻找一种先进实用的技术将秸秆原料降解，使其能用于微生物发酵生产乙醇，对解决能源危机有着重大意义。但天然的木质纤维素是一种具有高度结晶区，结构非常稳定的超分子。在植物细胞壁中，木质素填充于纤维素和半纤维素之间的空间，通过氢键和共价键将等糖类聚合物连接在一起，并维持整个系统结构的稳定性与刚性。这种结构对木质纤维素的降解利用具有很高的抗性，合适的预处理过程，是打破这种抗性的有效手段。
蒸汽爆破是一种有效的物理化学预处理方法，主要是利用高温高压水蒸汽处理纤维原料，通过瞬间释压过程实现原料的组分分离和结构变化。在蒸汽爆破过程中，水蒸气在高温高压的作用下渗入木质纤维素原料内部，使原料中的乙酰基和一些其它功能基团在高温作用下形成有机酸，将半纤维素水解成低聚糖，同时软化并部分降解木质素，然后瞬间泄压，蒸汽迅速膨胀，对外做功，使纤维断裂，增加原料比表面积，提高酶的吸附性，破坏纤维素结晶区，提高酶解效率。但蒸汽爆破的的缺点在于对木质素的去除效果不显著，同时由于在高温作用下产生的有机酸会将半纤维素过度水解为糠醛等酶解抑制物。
在蒸汽爆破预处理前先用NaOH溶液在较低料液比下处理秸秆，处理过程中秸秆含水率控制在100％以下、秸秆处于湿润、无流动水的状态。这种处理方法操作简单、无废碱液产生，可以节约设备投资和处理成本，对环境也不会产生任何污染。在蒸汽爆破前首先经过氢氧化钠预处理，可以有效破坏原料中木质素的形态结构，可弥补蒸汽爆破对木质素去除效果的不足，同时由于物料以碱性状态存在，可中和部分在蒸汽爆破预处理过程中形成的有机酸，减少酶解抑制物的形成，从而免去蒸汽爆破处理后对物料的水洗步骤，降低能耗，减少单糖的流失。
发明内容
本发明针对蒸汽爆破预处理的缺点，在蒸汽爆破预处理前先使用NaOH在低料液比下预处理秸秆原料，破坏原料中部分木质素，提高蒸汽爆破预处理效果，同时可减少蒸汽爆破过程中抑制物的生成。处理过程具有不产生废液，设备简单，操作方便，不污染环境的特点。将其与蒸汽爆破结合起来，可充分利用两种方法的优点，在NaOH作用下先破坏秸秆原料中的部分木质素，再通过蒸汽爆破处理，破坏秸秆原料中的纤维素、半纤维素和木质素的交联 结构，增加生物质原料的酶解可及度。同时由于物料以碱性状态存在，可中和部分在蒸汽爆破预处理过程中形成的有机酸，减少蒸汽爆破中抑制物的形成，从而免去蒸汽爆破后对物料的水洗步骤。
实现上述目的而采取的技术方案包括：
(1)将自然风干的柠条，水稻，小麦秸秆切割为长度小于3cm的小段；
(2)分别将上述秸秆原料与一定浓度的NaOH溶液以一定的料液比混合均匀，室温下密封放置4～30天。
(3)将上述经NaOH处理后的物料进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力1.0～2.5MPa，保压时间5～20min。
(4)上述蒸汽爆破处理后的物料于40℃真空干燥。
(5)将干燥后的物料用植物样品粉碎机粉碎，过20～80目筛。
(6)参照NREL上的实验规程对粉碎后的物料进行成分分析和酶解，计算葡萄糖和木糖转化率。
本发明的最大特点是在蒸汽爆破处里前先采用NaOH溶液在低料液比下预处理，具有以下优点：
1)NaOH溶液能有效破坏木质素结构，提高蒸汽爆破预处理效果；
2)NaOH溶液与物料按较低料液比混合，处理过程中不产生碱性废液，对设备要求低，对环境无污染；
3)NaOH可破坏生物质原料中的部分乙酰基，中和蒸汽爆破过程中产生的有机酸，减少蒸汽爆破预处理后抑制物的产生，从而免去蒸汽爆破后对物料的水洗步骤。
附图说明
图1、无废液产生的秸秆预处理方法工艺流程图
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明关键在于控制预处理中NaOH含量，以最终蒸汽爆破预处理后物料PH值接近中性为目标，因此在最优蒸汽爆破参数下，具体实施方式的主要差别为NaOH溶液预处理阶段中NaOH的含量。具体实施方式如下：
实施例1：
(1)将自然风干的柠条，水稻和小麦秸秆切割为长度小于3cm的小段，分别按料液比为1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入0.1mol/L NaOH溶液，混匀，室温下密封放置4～30天；
(2)将上述经NaOH处理后的物料进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力1.0～2.5MPa，保压时间5～20min；
(3)收集物料，测PH；
(4)40℃真空干燥物料，将干燥后的物料用植物样品粉碎机粉碎，过20～80目筛。
(5)参照NREL上的实验规程对步骤(4)物料进行成分分析和酶解，对预处理效果进行评价；
实施例2
(1)将自然风干的柠条，水稻和小麦秸秆切割为长度小于3cm的小段，分别按料液比为1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入0.3mol/L NaOH溶液，混匀，室温下密封放置4～30天；
(2)将上述经NaOH处理后的物料进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力1.0～2.5MPa，保压时间5～20min；
(3)收集物料，测PH；
(4)40℃真空干燥物料，将干燥后的物料用植物样品粉碎机粉碎，过20～80目筛。
(5)参照NREL上的实验规程对步骤(4)物料进行成分分析和酶解，对预处理效果进行评价；
实施例3
(1)将自然风干的柠条，水稻和小麦秸秆切割为长度小于3cm的小段，分别按料液比为1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入0.6mol/L NaOH溶液，混匀，室温下密封放置4～30天；
(2)将上述经NaOH处理后的物料进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力1.0～2.5MPa，保压时间5～20min；
(3)收集物料，测PH；
(4)40℃真空干燥物料，将干燥后的物料用植物样品粉碎机粉碎，过20～80目筛。
(5)参照NREL上的实验规程对步骤(4)物料进行成分分析和酶解，对预处理效果进行评价；
实施例4
(1)将自然风干的柠条，水稻和小麦秸秆切割为长度小于3cm的小段，分别按料液比为1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入1.0mol/L NaOH溶液，混匀，室温下密封放置4～30天；
(2)将上述经NaOH处理后的物料进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力1.0～2.5MPa，保压时间5～20min；
(3)收集物料，测PH；
(4)40℃真空干燥物料，将干燥后的物料用植物样品粉碎机粉碎，过20～80目筛。
(5)参照NREL上的实验规程对步骤(4)物料进行成分分析和酶解，对预处理效果进行评价；
NaOH溶液浓度选择原则是：在保证预处理效果的前提下，尽量使蒸汽爆破预处理后物料的PH值接近中性，以减少蒸汽爆破过程中由于酸水解导致的抑制物的形成。

Claims (5)

1.一种无废液产生的秸秆预处理方法，采用自然风干的柠条，水稻，小麦秸秆为原料，用NaOH溶液和蒸汽爆破相结合处理的工艺方法，其工艺特征在于以下步骤：
(1)将自然风干的柠条，水稻，小麦秸秆切割为长度小于3cm的小段；
(2)分别将上述秸秆原料与一定浓度的NaOH溶液以一定的料液比混合均匀，室温下密闭放置4～30天。
(3)将上述经NaOH处理后的物料进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力1.0～2.5MPa，保压时间5～20min。
(4)上述蒸汽爆破处理后的物料于40℃真空干燥。
(5)将干燥后的物料用植物样品粉碎机粉碎，过20～80目筛。
(6)参照NREL上的实验规程对粉碎后的物料进行成分分析和酶解，计算葡聚糖和木聚糖转化率。
2.根据权利要求1所述的一种无废液产生的秸秆预处理方法，其特征在于，在蒸汽爆破前先采用NaOH溶液处理生物质，NaOH溶液浓度为0.1～1M，料液比为1∶0.5～1∶3(g/ml)。
3.根据权利要求1所述的一种无废液产生的秸秆预处理方法，其特征在于，NaOH溶液处理条件为室温下密封放置4～30天。
4.根据权利要求1所述的一种无废液产生的秸秆预处理方法，其特征在于，NaOH溶液与物料混合后，物料含水量控制在100％以下，固液混合体系中无流动液体存在，预处理后无废液产生。
5.根据权利要求1所述的一种无废液产生的秸秆预处理方法，其特征在于，蒸汽爆破后的物料不需水洗。
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