CN110373927B - 基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质原料的方法 - Google Patents
基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质原料的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110373927B CN110373927B CN201910633515.8A CN201910633515A CN110373927B CN 110373927 B CN110373927 B CN 110373927B CN 201910633515 A CN201910633515 A CN 201910633515A CN 110373927 B CN110373927 B CN 110373927B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alkali
- straw biomass
- treatment
- straw
- biomass
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
- C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
- D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment
- D21B1/04—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres
- D21B1/12—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres by wet methods, by the use of steam
- D21B1/30—Defibrating by other means
- D21B1/36—Explosive disintegration by sudden pressure reduction
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
- D21C3/02—Pulping cellulose-containing materials with inorganic bases or alkaline reacting compounds, e.g. sulfate processes
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C5/00—Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials
- D21C5/005—Treatment of cellulose-containing material with microorganisms or enzymes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于爆炸冲击波‑碱联合处理秸秆生物质原料以提高生物乙醇得率的预处理方法,属于生物质原料预处理技术领域。本方法利用爆炸冲击波的瞬间突变作用破坏秸秆纤维中的木质素结构,使得后续碱溶液能够与秸秆纤维充分接触,二者共同作用提高秸秆纤维可及度,从而提高生物乙醇得率。该方法中冲击波处理成本低,碱处理用量少、温度低、经济高效,有利于大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种爆炸波-碱联合预处理秸秆类生物质的预处理方法,属于生物质燃料预处理技术领域。
背景技术
随着石化能源的减少和全球变暖问题的加剧,开发新的能源替代体系成为发展趋势和研究热点。生物质能是一类具有发展潜力和应用价值的新能源。我国是农业大国,秸秆资源数量大、种类多、分布广,但近年来就地无序焚烧和随意丢弃现象严重,不仅造成了资源浪费,还引发了雾霾等生态环境恶化的一系列问题。国家已将农林生物质综合开发利用列为重点领域的优选主题,发展以秸秆等农业废弃生物质为原料的制造技术已成为我国经济可持续发展迫切需要解决的关键问题之一。
秸秆组成中约有70%为碳水化合物(纤维素和半纤维素)可转化为发酵性糖,是制取乙醇、沼气等的原料之一。然而,由于纤维素、半纤维素和木质素等组分交织在一起的秸秆结构致密而复杂,秸秆表层蜡质的保护作用、木质素和半纤维素的高结晶度和聚合度,使得纤维素糖难以被酶高效地水解和利用,生物乙醇转化率低的问题限制了秸秆类可再生资源的大规模应用,其瓶颈问题是“不成熟的预处理技术”和“较高的生产成本”。
目前存在的几种预处理方法中,如物理法、化学法和生物法等,均存在自身的局限性,如物理粉碎在一定程度上可以提高比表面积,但过于精细时将消耗较高的能量,得不偿失;化学法如碱处理是目前较为常用的方法,但存在处理条件苛刻和环境污染等问题;生物法则具有明显的针对性,因此,选择一种高效经济的预处理方法尤为重要。
综上所述,比表面积可及性、纤维素的结晶度和木质素的包覆是影响木质纤维素生物质酶水解的主要因素,其中比表面积可及性是最重要因素。爆炸冲击波法处理即是提高纤维素比表面积的有效且经济的方法,处理每吨秸秆纤维大约只需35元。将冲击波处理后的秸秆再进行碱处理,利用已充分可及的纤维表面,进行碱处理有效断裂木质素与纤维素和半纤维素之间的氢键和酯键,达到提高纤维素得率的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济高效的秸秆生物质原料预处理方法,以提高生物乙醇的转化率。本发明技术方案如下:
基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质的方法,包括如下步骤:
步骤1:将秸秆类生物质进行机械粉碎;
步骤2:将粉碎后的秸秆类生物质加入到水中,搅拌润湿后置于爆炸罐中,充入引爆气体,点火引爆产生高压冲击波处理秸秆类生物质;
步骤3:风干高压冲击波处理后的秸秆类生物质;
步骤4:对风干后的秸秆类生物质进行碱处理;
步骤5:将碱处理后的秸秆类生物质进行除碱处理;
步骤6:将除碱后的秸秆类生物质进行酶水解或发酵处理。
优选的,步骤1中,将秸秆类生物质经机械粉碎至通过10#标准网筛。
优选的,步骤2中,按照5%质量分数将粉碎后的秸秆类生物质加入到水中。
优选的,步骤2中,所述引爆气体为化学当量比的氢气和氧气,充至爆炸罐内总压约550~690kPa,静置混合20min后,经点火引爆产生高压冲击波处理秸秆类生物质。
优选的,步骤4中,碱处理的步骤包括:向风干后的秸秆类生物质中加入碱液浸泡,再进行预热处理,然后放入可震荡烘箱中保温。预热处理可采用水浴加热10min。水浴温度为50~100℃,根据后续实际碱处理温度需求来定(放在烘箱中的温度)。水浴加热是为了保证反应器中的秸秆和碱液尽快达到烘箱所需的温度,如果不通过水浴直接放在烘箱中,反应器中的碱液需要较长时间的传热才能达到设定温度。
选择50~100℃的另一个原因是:过低不利于碱处理,过高会消耗更多能源,100℃以下水温可以利用工厂冷却水,减少能耗。
优选的,所述碱液为NaOH或Ca(OH)2,碱用量按照干燥秸秆质量分数的4~8%加入,碱处理温度为50~100℃。
优选的,当采用NaOH处理时浸泡时间为1h;当采用Ca(OH)2处理时为浸泡时间为1个月。
有益效果:该方法爆炸波处理成本低,处理秸秆纤维大约只需35元/吨,氢气和氧气引爆后除水外无副产物。碱处理时碱用量少,有利于环境保护;处理温度低,不超过100℃,条件温和,能耗少。有利于规模化生产,具有良好的社会经济效益。
附图说明
图1为本发明处理工艺流程图。
图2为爆炸冲击波联合碱预处理玉米秸秆和单独采用碱处理的对比图(爆炸冲击波压力690kPa,碱处理温度100℃,碱处理时间1h)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1:
1)玉米秸秆原料经机械粉碎处理,过10#网筛待用。
2)称取100g秸秆粉末,加入水直到总体积为2L,充分搅拌后倒入专用爆炸罐中,将爆炸罐密封。利用计算机程序控制,先充入690kPa的氧气,释放至常压以赶走爆炸罐中的空气,再按照化学当量比分别充入氢气和氧气至总压为690kPa,静置混合20min后点火引爆,产生高压冲击波处理秸秆。
3)收集爆炸波处理后的玉米秸秆经室温风干,采用NaOH进行碱处理。称取7g爆炸处理后的秸秆粉末,加入到钢制反应器中,将0.66g氢氧化钠(4%)预先加入到132mL去离子水中溶解后加入到钢制反应器中进行碱液浸泡处理。处理温度为100℃,故将钢制反应器密封后置于100℃恒温水浴锅中预热10min,转移至100℃可震荡烘箱中处理50min,碱处理时间共1h。完毕后置于80#网筛上用12L自来水清洗以去除残留的碱液。
对预处理后的玉米秸秆进行酶水解,加入纤维素酶(Ctec3)和半纤维素酶(Htec3),可分别将生物质中的葡聚糖(cellulose)和木聚糖(hemicellulose)分解为葡萄糖和木糖。其加入量分别为2mg/g(酶/秸秆),同时加入柠檬酸盐缓冲液(pH 4.8)以调节pH,加入适量抗菌剂(四环素等)以抑制霉变。放入恒温振荡培养箱中,控制温度为50℃,反应时间为5天。将上述酶水解后的样品采用规格为0.2μm的一次性注射用过滤器过滤后转移约0.5mL至试样瓶中进行糖浓度测试。HPLC分离柱采用Aminex HPX-87P,以高纯水洗脱,流速为0.6mL/min,柱温85℃,采用RI检测器。获得样品中的葡萄糖和木糖浓度,以计算糖化率。
效果:同样方法对根据不同碱浓度进行实验,对比采用爆炸联合碱处理和单独采用碱处理玉米秸秆的消化率,结果如图2所示。
由图2可以看出,爆炸冲击波联合碱处理后的玉米秸秆消化率提高了6~12%,说明爆炸冲击波联合碱处理效果有较大提高,且爆炸法具有成本低的优势。
实施例2:
1)玉米秸秆原料经机械粉碎处理,过10#网筛待用。
2)称取100g秸秆粉末,加入水直到总体积为2L,充分搅拌后倒入专用爆炸罐中,将爆炸罐密封。利用计算机程序控制,先充入690kPa的氧气,释放至常压以赶走爆炸罐中的空气,再按照化学当量比分别充入氢气和氧气至总压为550kPa,静置混合20min后点火引爆,产生高压冲击波处理秸秆。
3)收集爆炸波处理后的玉米秸秆经室温风干,采用进行碱处理。称取7g爆炸处理后的秸秆粉末,加入到钢制反应器中,取1.22gCa(OH)2(8%),再加入132mL去离子水到钢制反应器中进行碱液浸泡处理。处理温度为50℃,故将钢制反应器密封后置于50℃恒温水浴锅中预热30min,转移至50℃可震荡烘箱中处理30天,碱处理时间共30天。完毕后置于80#网筛上用12L自来水清洗以去除残留的碱液。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:将秸秆类生物质进行机械粉碎;
步骤2:将粉碎后的秸秆类生物质加入到水中,搅拌润湿后置于爆炸罐中,充入引爆气体,点火引爆产生高压冲击波处理秸秆类生物质;
步骤3:风干经高压冲击波处理后的秸秆类生物质;
步骤4:对风干后的秸秆类生物质进行碱处理;
步骤5:将碱处理后的秸秆类生物质进行除碱处理;
步骤6:将除碱后的秸秆类生物质进行酶水解或发酵处理;
步骤2中,按照5%质量分数将粉碎后的秸秆类生物质加入到水中;
步骤2中,所述引爆气体为化学当量比的氢气和氧气;
步骤2中,引爆气体充至爆炸罐内总压550~690kPa,静置混合20min后,经点火引爆产生高压冲击波处理秸秆类生物质;
步骤4中,碱处理的步骤包括:向风干后的秸秆类生物质中加入碱液浸泡,再进行预热处理,然后放入可震荡烘箱中保温;
步骤4中,所述碱液为NaOH或Ca(OH)2,碱用量按照干燥秸秆质量分数的4~8%加入,碱处理温度为50~100℃。
2.根据权利要求1所述的基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质的方法,其特征在于,当采用NaOH处理时浸泡时间为1h;当采用Ca(OH)2处理时为浸泡时间为1个月。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910633515.8A CN110373927B (zh) | 2019-07-15 | 2019-07-15 | 基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质原料的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910633515.8A CN110373927B (zh) | 2019-07-15 | 2019-07-15 | 基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质原料的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110373927A CN110373927A (zh) | 2019-10-25 |
CN110373927B true CN110373927B (zh) | 2021-04-20 |
Family
ID=68253141
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910633515.8A Active CN110373927B (zh) | 2019-07-15 | 2019-07-15 | 基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质原料的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110373927B (zh) |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE433366B (sv) * | 1976-04-12 | 1984-05-21 | Commw Scient Ind Res Org | Sett att defibrera avfallspapper |
CN100999739B (zh) * | 2006-01-13 | 2010-05-12 | 中国科学院过程工程研究所 | 蒸汽爆破与碱性双氧水氧化耦合处理秸秆的方法 |
CN102206926B (zh) * | 2011-04-27 | 2012-05-30 | 北京中诺德瑞工业科技有限公司 | 氧爆破壁秸秆造纸浆的方法 |
CN102268833B (zh) * | 2011-07-26 | 2013-08-21 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种农作物秸秆蒸汽爆破预水解硫酸盐法制备溶解浆的方法 |
CN105951488B (zh) * | 2016-07-02 | 2018-06-26 | 北京化工大学 | 一种利用木质纤维素清洁制备纤维素的工艺 |
-
2019
- 2019-07-15 CN CN201910633515.8A patent/CN110373927B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110373927A (zh) | 2019-10-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101736631B (zh) | 一种高效预处理木质纤维素的工艺 | |
Chen et al. | Simultaneous saccharification and fermentation of steam exploded wheat straw pretreated with alkaline peroxide | |
Van Dyk et al. | A review of lignocellulose bioconversion using enzymatic hydrolysis and synergistic cooperation between enzymes—factors affecting enzymes, conversion and synergy | |
Huang et al. | Bioconversion of lignocellulose into bioethanol: process intensification and mechanism research | |
Wang et al. | Cellulolytic enzyme production and enzymatic hydrolysis for second-generation bioethanol production | |
Madadi et al. | Recent status on enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass for bioethanol production | |
Menon et al. | Biocatalytic approach for the utilization of hemicellulose for ethanol production from agricultural residue using thermostable xylanase and thermotolerant yeast | |
Wang et al. | Overcome saccharification barrier: advances in hydrolysis technology | |
Jiang et al. | Enzymatic in situ saccharification of sugarcane bagasse pretreated with low loading of alkalic salts Na2SO3/Na3PO4 by autoclaving | |
Świątek et al. | The improvement of enzymatic hydrolysis efficiency of rape straw and Miscanthus giganteus polysaccharides | |
Lu et al. | Production of high concentration bioethanol from reed by combined liquid hot water and sodium carbonate-oxygen pretreatment | |
Eblaghi et al. | Combining ultrasound with mild alkaline solutions as an effective pretreatment to boost the release of sugar trapped in sugarcane bagasse for bioethanol production | |
Sridevi et al. | Saccharification of pretreated sawdust by Aspergillus niger cellulase | |
CN104611394A (zh) | 一种木质纤维素原料预处理的方法及应用 | |
CN106191158B (zh) | 一种清洁和安全的木质纤维原料预处理方法 | |
Sharma et al. | A review on current technological advancement of lignocellulosic bioethanol production | |
Gong et al. | Enhanced enzymolysis and bioethanol yield from tobacco stem waste based on mild synergistic pretreatment | |
CN106894271A (zh) | 三氧化硫微热爆与酶催化双氧水氧化联合预处理木质纤维素类生物质的方法 | |
CN105671091A (zh) | 利用离子液体[Bmim]Cl预处理棉花秸秆的方法 | |
CN111676257A (zh) | 一种提高阔叶木纤维素高浓酶水解产可发酵糖效率的方法 | |
CN110373927B (zh) | 基于爆炸波-碱联合处理秸秆类生物质原料的方法 | |
Diah et al. | Biohydrogen production through separate hydrolysis and fermentation and simultaneous saccharification and fermentation of empty fruit bunch of palm oil | |
CN105087720A (zh) | 一种edta预洗提高木质纤维素酶解转化率的处理方法 | |
Haq et al. | Enzymatic hydrolysis of Saccharum officinarum lignocellulosic biomass by genetically modified hyperthermophilic cellulases | |
CN104561130A (zh) | 一种微波辅助预处理玉米秸秆的方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |