CN116476191A - 一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，属于秸秆利用技术领域，该方法先将粗粉碎的秸秆与Ca(OH)2悬浊液混匀后密封静置处理3天以上，之后将固态处理时50％‑80％的秸秆水分降低至30％以下，并将秸秆细粉碎至过1mm筛网，最后对细粉碎后的秸秆粉按辐照剂量为0.3‑0.6kGy/kg干秸秆，进行电子束能量强度为5‑10Mev的辐照。该联合处理方法可有效破坏秸秆木质纤维结构并降低纤维束结晶度，提高秸秆的生物利用率，且处理后的秸秆无需脱毒处理就可直接进行下游利用，尤其适用于秸秆饲料化利用，可作为单胃动物的优质纤维日粮。
Description
技术领域
本发明属于秸秆利用技术领域，尤其涉及一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法。
背景技术
农业秸秆年产量超9亿吨，饲料化利用率不足20％，且主要利用方式是干秸秆直接饲喂反刍动物。但干秸秆质地粗硬、适口性差且消化率低，作为粗饲料主要用于维持反刍动物正常瘤胃功能，饲用潜力未被充分挖掘。
秸秆主要成分是木质纤维素，由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素是由D－葡萄糖单体以β-1,4糖苷键结合起来的长链状高分子化合物，约占秸秆干重的30％-50％，纤维素酶酶解后产生葡萄糖；半纤维素是由戊糖(木糖、阿拉伯糖)、己糖(甘露糖、半乳糖)和糖醛酸(葡萄糖醛酸)等多种单糖聚合而成的结构复杂的短链异源多聚体，不会像纤维素产生结晶结构，降解后主要产生木糖。秸秆中纤维素含量30％-45％，半纤维素含量20％-30％，两者合计60％-70％，若被充分降解成单糖供生物利用，产生的消化能只略低于玉米等能量饲料(淀粉含量70％左右)。秸秆经处理后瘤胃消化率可由30％左右提高到70％以上，消化率可提高40％以上，消化能可增加一倍多，采食2kg秸秆可获得相当于1kg以上玉米籽粒的消化能。单胃动物后肠与瘤胃相似，也可分解纤维组分，产生挥发性脂肪酸供能。因此，通过合适的技术加工，有望使秸秆减替饲料粮，这对保障粮食安全以及促进畜牧业可持续发展都有重要意义。
然而，秸秆的大规模高效利用受限于其惰性的木质纤维结构，该结构主要特征是纤维素、半纤维素和木质素相互镶嵌，其中木质素与半纤维素通过氢键和共价键结合形成网状结构，将纤维素包埋在内部，纤维素和半纤维素及木质素通过氢键结合。木质素化学结构复杂，具有非水溶性、难被分解的特点，木质纤维内部的纤维素被这种天然屏障包裹，无法得到暴露，纤维素酶难以接近和降解，故必须经预处理破坏三素间的交联结构，方能提高秸秆的利用率。
国内秸秆饲料化利用有粉碎、揉丝、蒸汽软化、氨化、黄贮等加工方式，但这对秸秆消化率提升有限，不能释放秸秆中的消化潜能。而利用酸化、碱化、氨化、汽爆等方式对秸秆预处理虽可大幅提升秸秆消化率，但却存在方法适用性差、产生有毒副产物以及工程化利用困难等问题，无法大规模地将秸秆“增值”，即消化率提高带来的收益不足以弥补破坏秸秆木质纤维结构的工艺投入。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，本发明的方法是能够满足常温常压、可连续生产、抑制物产量低、可直接饲喂、生产运维成本低等要求的秸秆高效处理方法，本发明方法能满足秸秆饲料化利用的工业化生产。
为实现上述目的，本发明提供了一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆粗粉碎；
(2)将氢氧化钙(Ca(OH)2)悬浊液加入步骤(1)粉碎后的秸秆中，搅拌均匀；
(3)步骤(2)混合均匀后的物料常温下密封静置，干燥至水分30％以下；
(4)将步骤(3)得到的秸秆细粉碎；
(5)将细粉碎后的秸秆进行电子束辐照。
本发明的联合处理方法可有效破坏秸秆木质纤维结构并降低纤维束结晶度，提高秸秆的生物利用率，且处理后的秸秆无需脱毒处理就可直接进行下游利用，尤其适用于秸秆饲料化利用，可作为单胃动物的优质纤维日粮。本发明的联合处理方法还具有操作简便、条件温和、生产运维成本低、不产生废水废气等优点，适于工业化。
进一步地，步骤(1)中将秸秆粗粉碎至长度4-6cm。
进一步地，步骤(2)中Ca(OH)2悬浊液的配制方法为：将Ca(OH)2与水按照1:10-30的质量比混合，搅拌均匀，制成Ca(OH)2悬浊液。
进一步地，步骤(2)中Ca(OH)2悬浊液与秸秆的质量比为1:0.5-2，搅拌均匀后体系含水量为50％-80％。
进一步地，步骤(3)中密封静置3天以上；干燥方式为自然晾干或者低温干燥。
进一步地，所述低温干燥指的是物料温度维持在50℃以下的冷风干燥。
进一步地，步骤(4)中将秸秆细粉碎至过1mm筛网。
进一步地，步骤(5)中辐照剂量为0.3-0.6kGy/kg干秸秆，辐照剂量率为500-1000kGy/h，电子束的能量为5-10Mev。
上述方法得到的秸秆在作为纤维日粮中的应用。
上述方法得到的秸秆在制备秸秆乙醇或秸秆乳酸中的应用。
将细粉碎后的秸秆进行电子束辐照后的秸秆粉即为联合处理秸秆，无需脱毒处理可直接进行下游利用，可作为纤维日粮添加到单胃动物日粮中使用，也可以作为秸秆乙醇和秸秆乳酸等生物炼制的生产原料。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
秸秆等木质纤维原料需经合适的预处理才能被高效利用。通常化学预处理可取得理想的预处理效果，但是需用较大量的化学试剂，或者需严苛的处理条件，且预处理效果越好，处理条件越严苛，处理后的有毒副产物也越多，对下游微生物也会产生更大的不利影响，故化学预处理后常需水洗等脱毒处理以减少化学试剂以及有毒副产物的影响，但这又导致大量有毒废水的问题。如专利201310006176.3所述方法，生产过程较为繁琐，碱处理浸泡过程和盐水浸泡过程都中会产生大量废水，且碱和盐用量大，浸泡时秸秆吸附量大，处理后秸秆盐分高，pH高，大量使用影响适口性且对动物产生不良影响。物理预处理一般预处理效果稍差，且能耗较高，还存在适应性差，难以规模化工业化利用等问题。如专利201710059266.7和CN200610052685.X中所用Co-60γ射线辐照等方法就因放射源以及工艺等问题难以大规模利用，且生产效率较低。生物预处理虽绿色环保，效果较好，但是处理周期太长，物料损耗大，生产效率低。单一物理处理、化学处理或生物处理都难以达到处理效果与经济可行的兼顾。
本发明将氢氧化钙处理和辐照处理相结合，通过氢氧化钙处理破坏秸秆木质素和半纤维素对纤维素的“保护”，暴露并润胀纤维素，再通过辐照处理降低纤维素的结晶度，较二者单独处理效率更高，酶解糖得率更高。且处理后抑制物产量低，可直接进行下游生物利用。
本发明的秸秆氢氧化钙固态预处理过程中碱和水用量少，处理过程中没有废水等废弃物产生；秸秆含水低，干燥成本低；处理条件温和，处理后的秸秆中抑制物含量低，存留的碱以碳酸钙形式存在，不会对后续利用产生较大影响；且该处理过程易于连续自动化，生产效率高。氢氧化钙处理后秸秆的木质纤维素结构破坏，脆性提高，易于粉碎，本发明将粗粉碎、氢氧化钙处理和细粉碎相结合，较直接细粉碎可大幅降低粉碎能耗，节省生产成本。
本发明的氢氧化钙处理和电子束辐照联合处理，具有反应条件温和、可连续生产、抑制物产量低、所得产物可直接饲喂、生产运维成本低等特点，能满足秸秆饲料化利用的工业化生产。且两种方法都可在常温常压固态处理，不产生废水废气、处理后副产物少，可直接进行后续发酵或饲用，便于规模化生产。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例4中氢氧化钙与辐照联合处理秸秆发酵过程中水分、pH、乳酸、乙酸和活菌数变化。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例中含水量计算公式为含水量(％)＝(湿重-干重)/湿重*100％。
实施例1
一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，由以下步骤制备：
1)将1kg干玉米秸秆粗粉碎至6cm，测得秸秆水分含量是9.8％。
2)将50g的Ca(OH)2与1kg的蒸馏水混合并搅拌均匀，制成Ca(OH)2悬浊液；
3)将该Ca(OH)2悬浊液全部加入到粉碎后的干秸秆中，反复搅拌揉搓使秸秆均匀吸收Ca(OH)2和水，最终体系含水量为53.5％；
4)上述混匀后的物料用密封袋装好，常温(20-25℃)下静置3天，之后摊开自然风干2天，测得水分降至12％以下；
5)将上述处理秸秆细粉碎至过1mm筛网；
6)将上述细粉碎后的秸秆粉装入自封袋，平铺于高能电子加速器中进行电子束辐照，辐照剂量为0.4kGy/kg干秸秆，辐照剂量率为500kGy/h，电子束的能量为5Mev。
分别测量秸秆原料、氢氧化钙处理后秸秆(指的是步骤4)中处理得到的秸秆，下同)、氢氧化钙与电子束辐照联合处理后秸秆的纤维素酶酶解糖含量，检测方法如下：准确称取105℃干燥后的秸秆样品0.5g至100mL容量瓶中，加入50mL配制好的含酶缓冲液，50℃100r/min条件下振荡酶解72h。每次酶解设置不加秸秆的空白组以去除纤维素酶带入糖的影响。将酶解后的样品稀释5倍并用HPLC检测葡萄糖和木糖含量。
含酶缓冲液配制：将纤维素酶与半纤维素酶按4:1(w/w)比例混合均匀，取7.5g混酶加入250mL乙酸－乙酸钠缓冲液，缓冲液浓度为0.2mol/L，pH为4.8。振荡30min使纤维素酶及半纤维素酶溶解后过滤，蒸馏水冲洗残渣，收集滤液加水至990mL，加入10mL1％的叠氮化钠和0.1g青霉素钠后混匀。
色谱柱：Bio-Rad HPX-87H ion-exclusion column。
色谱条件：流动相为5mmol/L H2SO4；柱温40℃；示差折光检测器；检测器温度35℃；流速0.6mL/min；进样量20μL。
结果如表1所示，氢氧化钙与电子束辐照联合处理后秸秆的酶解糖得率可达70.80％，较原料秸秆的酶解糖得率18.58％提高了2.81倍，较单用氢氧化钙处理秸秆的酶解糖得率46.14％提高了53.44％，说明氢氧化钙与电子束辐照联合处理可以有效破坏玉米秸秆的木质纤维结构，提高纤维素酶的酶解效率，提高生物利用率。
表1秸秆原料及预处理后的纤维素酶酶解糖含量
实施例2
一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，由以下步骤制备：
1)将100kg干水稻秸秆粗粉碎至4-6cm，测得秸秆水分含量为10％。
2)将5kg的Ca(OH)2与150kg的蒸馏水混合并搅拌均匀，制成Ca(OH)2悬浊液；
3)将该Ca(OH)2悬浊液和粗粉碎的干秸秆一起加入混合机中，搅拌2min使秸秆均匀吸收Ca(OH)2和水，最终体系含水量为66.7％；
4)混匀后的物料用含塑料内袋的吨袋装好，挤压排出空气，扎紧口袋后于常温(20-30℃)下静置5天，之后摊开自然风干2天，最终测得水分降至10％；
5)将上述处理秸秆细粉碎至过1mm筛网；
6)将上述细粉碎后的秸秆粉装入塑料袋，封口后平铺于高能电子加速器中进行电子束辐照，辐照剂量为0.5kGy/kg干秸秆，辐照剂量率为800kGy/h，电子束的能量为10Mev。
按实施例1中所述方法分别测量秸秆原料、氢氧化钙处理后秸秆、氢氧化钙与电子束辐照联合处理后秸秆的纤维素酶酶解糖含量。
结果如表2所示，氢氧化钙与电子束辐照联合处理后秸秆的酶解糖得率可达72.85％，较原料秸秆的酶解糖得率18.26％提高了2.99倍，较单用氢氧化钙处理秸秆的酶解糖得率44.42％提高了64.00％，说明氢氧化钙与电子束辐照联合处理可以有效破坏水稻秸秆的木质纤维结构，提高纤维素酶的酶解效率，提高生物利用率。
表2秸秆原料及预处理后的纤维素酶酶解糖含量
实施例3
氢氧化钙与电子束辐照联合处理秸秆体外消化试验：
吸取新鲜瘤胃液，置于保温瓶迅速带回实验室，用四层纱布过滤(同时通入CO2)，在39℃培养液分装系统中预热并与经CO2饱和的人工唾液以体积比1:2的比例混合，制成混合人工瘤胃培养液，同时通入CO2。
人工瘤胃缓冲溶液：参照McDougall(1949)的配方配制(g/L)。MgSO4·7H2O 12g，NaCl 0.47g，Na2HPO4·12H2O 9.3g，KCl 0.57g，NaHCO3 9.8g，并用1000mL蒸馏水溶解完全后再加入0.04g的CaCl2，此时会产生白色沉淀，立即通入CO2至溶液变成无色，保证溶液pH为6.8±0.1。
体外消化试验：试验前一晚分别将实施例1和2中的干秸秆原料、氢氧化钙处理后秸秆、氢氧化钙与电子束辐照联合处理后秸秆粉碎过20目筛，各样品称好1g后倒入纤维滤袋中用封口机封口并装入体外消化率培养管中，用自动分液器向提前39℃预热的体外消化率培养管中加入70mL混合人工瘤胃培养液，混匀后迅速放入已预热(39℃)的恒温水浴培养箱中培养。
体外消化试验培养48h后，将体外消化培养管放入冰水浴中终止发酵，瘤胃液装入离心管中-80℃保存。取出纤维滤袋用蒸馏水清洗后置于烘箱内，105℃烘干12h得干物质重，计算干物质(DM)、粗纤维(CF)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)的体外消化率。
计算公式：
试验结果见表3，氢氧化钙与电子束辐照联合处理可以将玉米秸秆的DM、CF、NDF和ADF的体外消化率由47.52％、41.37％、36.41％和39.67％分别提高至73.24％、65.76％、69.57％和72.57％，分别提高了54.12％、58.96％、91.07％和82.93％。氢氧化钙处理后玉米秸秆的DM、CF、NDF和ADF较未处理秸秆也都有显著提高，但相较于氢氧化钙与电子束辐照联合处理秸秆，四种体外消化率都明显偏低。水稻秸秆中的结果与玉米秸秆中的结果相近，氢氧化钙和辐照联合处理可使水稻秸秆的DM、CF、NDF和ADF的体外消化率较未处理秸秆分别高58.80％、67.37％、93.28％和81.33％。此结果与实施例1和实施例2中秸秆原料酶解糖含量结果相符，即氢氧化钙和辐照联合处理较单用氢氧化钙处理可以更好地破坏秸秆木质纤维结构，提高秸秆酶解糖得率，促进秸秆的生物利用。
表3玉米和水稻秸秆经不同处理后的体外消化率/％
实施例4
一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，由以下步骤制备：
1)将500kg干玉米秸秆粗粉碎至4-6cm，测得秸秆水分含量为8.5％。
2)将30kg的Ca(OH)2与500kg的水混合并搅拌均匀，制成Ca(OH)2悬浊液；
3)将该Ca(OH)2悬浊液和粗粉碎的干玉米秸秆分批次一起加入混合机中，每次加100kg干秸秆和100kg的Ca(OH)2悬浊液，搅拌2min使秸秆均匀吸收Ca(OH)2和水，最终体系含水量约为54.0％；
4)混匀后的物料用含塑料内袋的吨袋装好，挤压排出空气，扎紧口袋后于常温(20-30℃)下静置15天，之后摊开自然风干3天，最终测得水分降至10％；
5)将上述处理秸秆细粉碎至过1mm筛网；
6)将上述细粉碎后的秸秆粉装入塑料袋，封口后平铺于高能电子加速器中进行电子束辐照，辐照剂量为0.6kGy/kg干秸秆，辐照剂量率为1000kGy/h，电子束的能量为10Mev。
按实施例1中所述方法分别测量秸秆原料、氢氧化钙处理后秸秆、氢氧化钙与电子束辐照处理后秸秆的纤维素酶酶解糖含量。
结果如表4所示，氢氧化钙与电子束辐照联合处理后秸秆的酶解糖得率可达77.62％，较原料秸秆的酶解糖得率19.24％提高了3.03倍，较单用氢氧化钙处理秸秆的酶解糖得率48.81％提高了59.02％，说明氢氧化钙与电子束辐照联合处理可以有效破坏水稻秸秆的木质纤维结构，提高纤维素酶的酶解效率，提高生物利用率。
表4秸秆原料及预处理后的纤维素酶酶解糖含量
实施例5
氢氧化钙与电子束辐照联合处理秸秆发酵试验：
将实施例4中氢氧化钙与电子束辐照联合处理好的秸秆500kg分5批加入混合机中，每次加100kg，同时每次加入10kg玉米粉并搅拌均匀，再每次均匀接入由1kg凝结芽孢杆菌(YPD培养)、0.1kg酵母浸粉及0.1kg糖化酶(5万U/g)以及150kg水组成的混合溶液。将混好的秸秆封入呼吸袋中。置于30℃以上的环境下发酵7d，每天取样检测水分、pH、乳酸、乙酸、乳酸菌活菌含量变化。
结果如图1所示：发酵7d时间内秸秆pH值由初始的8.64持续下降，第7d降至4.50；乳酸菌活菌数第3d最大，为56.34亿CFU/g，之后开始下降，第7d降至13.78亿CFU/g；乳酸含量由3.5mg/g持续增加至67.2mg/g；乙酸含量由21.6mg/g增加至31.6mg/g。发酵过程中乳酸菌增殖速率快，产酸速率快，且主要产物为乳酸，同时产生少量乙酸，可见氢氧化钙与辐照联合处理秸秆抑制物产量低，无需脱毒处理微生物也可正常发酵，该预处理方法具有较好的实用价值。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将秸秆粗粉碎；
(2)将氢氧化钙悬浊液加入步骤(1)粉碎后的秸秆中，搅拌均匀；
(3)步骤(2)混合均匀后的物料常温下密封静置，干燥至水分30％以下；
(4)将步骤(3)得到的秸秆细粉碎；
(5)将细粉碎后的秸秆进行电子束辐照。
2.根据权利要求1所述一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，步骤(1)中将秸秆粗粉碎至长度4-6cm。
3.根据权利要求1所述一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，步骤(2)中氢氧化钙悬浊液的配制方法为：将氢氧化钙与水按照1:10-30的质量比混合，搅拌均匀，制成氢氧化钙悬浊液。
4.根据权利要求1所述一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，步骤(2)中氢氧化钙悬浊液与秸秆的质量比为1:0.5-2，搅拌均匀后体系含水量为50％-80％。
5.根据权利要求1所述一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，步骤(3)中密封静置3天以上；干燥方式为自然晾干或者低温干燥。
6.根据权利要求5所述一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，所述低温干燥指的是物料温度维持在50℃以下的冷风干燥。
7.根据权利要求1所述一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，步骤(4)中将秸秆细粉碎至过1mm筛网。
8.根据权利要求1所述一种氢氧化钙与电子束辐照联合处理固态秸秆的方法，其特征在于，步骤(5)中辐照剂量为0.3-0.6kGy/kg干秸秆，辐照剂量率为500-1000kGy/h，电子束的能量为5-10Mev。
9.权利要求1-8任一项所述方法得到的秸秆在作为纤维日粮中的应用。
10.权利要求1-8任一项所述方法得到的秸秆在制备秸秆乙醇或秸秆乳酸中的应用。
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