農作物秸稈光合產氫的預處理方法

2023-05-18 17:54:26 2

農作物秸稈光合產氫的預處理方法
【專利摘要】本發明公開一種農作物秸稈光合產氫的預處理方法，包括將農作物秸稈進行機械粉碎得到第一產物；向第一產物加入20%-30%的乙酸溶液後置於高溫高壓條件下保持15min-35min得到第二產物；將第二產物冷卻，並用鹼液調節pH值至中性或微鹼性得到預處理產物。採用本發明的上述農作物秸稈光合產氫的預處理方法，將秸稈首先粉碎然後在乙酸的條件下進行水解，增大了纖維素原料的比表面積，破壞了纖維結晶性，使晶體纖維素成為無定型纖維素，並進一步打斷部分β-1，4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被水解為木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖。更有利於被光合細菌作為發酵產氫的底物直接利用，大大提高了光合產氫的速率和原料的轉化率。
【專利說明】農作物秸稈光合產氫的預處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光合產氫【技術領域】，特別涉及一種農作物秸杆光合產氫的預處理方法。
【背景技術】
[0002]眾所周知光合細菌(Photosynthetic bacteria, PSB)在光照的條件下,其菌體光捕獲複合體上的細菌葉綠素Bchl和類胡蘿蔔素吸收光子後，將能量傳送到光合反應中心RC，從而產生一個高能電子e*，由於光合細菌只具有光合系統I (PSI)，所以該高能電子只能經環式磷酸化產生ATP或者非環式磷酸化產生少量ATP和NADH2 (或NADPH2)。光合細菌的固氮酶利用光合磷酸化產生的ATP及NADH2 (或NADPH2)所提供的H+和e_，並沒有完全將N2還原成NH3,而是有一部分f在氫酶的協同作用下將H+還原為H2。
[0003]而在我國年產約7X 109t的農作物秸杆，秸杆中富含大量的木質纖維素，通過生物發酵等處理可以轉化為可再生糖類資源，而產生的糖類是光合細菌在發酵產氫過程中所需的原料底物，成本低收益高，因此在生物產氫的工業生產中常常被採用。
[0004]但是現有利用秸杆光合作用生產氫氣能源的過程中，由於秸杆本身的物質組成中所含有的大量難降解的木質素和纖維素組成複雜的微纖維、結晶區和無定形區等纖維聚合物。這些結晶結構使纖維素聚合物顯示出剛性和高度水不溶性，非常難於被厭氧微生物利用，因此採用秸杆進行產氫的轉化速度和轉化率非常低，在使用中難以達到預期的效果。
【發明內容】

[0005]本發明的主要目的為了彌補上述問題，提供一種能有效改善光合產氫的秸杆的結構成分、使之能較好地被光合細菌用於發酵從而實現提高產氫轉化速度和轉化率的預處理方法。
[0006]本發明提出一種農作物秸杆光合產氫的預處理方法，包括如下步驟:
[0007]將農作物秸杆進行機械粉碎得到第一產物；
[0008]向所述第一產物加入質量分數為20%_30%的乙酸溶液後置於高溫高壓條件下保持15min_35min得到第二產物；
[0009]將所述第二產物冷卻至25°C左右，並用鹼液調節pH值至中性或微鹼性得到預處
理產物。
[0010]優選地，所述將農作物秸杆進行機械粉碎得到第一產物步驟中，第一產物破碎至超微細度。
[0011]優選地，向所述第一產物中加入乙酸溶液的濃度為25%。
[0012]優選地，所述第一產物加入20%_30%的乙酸溶液後置於高溫高壓條件下保持31min。
[0013]優選地，將農作物秸杆進行機械粉碎的同時加入雙氧水，並在40-60度的溫度下進行機械破碎。[0014]優選地,所述機械破碎為震動球磨研磨破碎。
[0015]優選地，所述高溫高壓條件為:溫度100°C _130°C、氣壓102kPa_104kPa。
[0016]採用本發明的上述農作物秸杆光合產氫的預處理方法，針對光合細菌發酵產氫過程中，原始秸杆中性質穩定的纖維結構無法進行良好利用的問題，將秸杆首先粉碎然後在乙酸的條件下進行水解，增大了纖維素原料的比表面積，破壞了纖維結晶性，使晶體纖維素成為無定型纖維素，並進一步打斷部分β_1，4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被水解為木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖。更利於被光合細菌作為發酵產氫的底物直接利用，大大提高了光合產氫的速率和原料的轉化率。
【具體實施方式】
[0017]應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0018]本發明提供了一種農作物秸杆光合產氫的預處理方法。
[0019]本發明的農作物秸杆光合產氫的預處理方法，基於物理和化學反應機理,包括如下步驟:
[0020]S10，將農作物秸杆進行機械粉碎。
[0021]一般農作物秸杆(比如高粱杆、麥杆、稻杆)其本身的體積比較大，其外表面均含有外壁，在有外壁的情形下難以直接被光合細菌利用，因此首先將農作物的秸杆進行機械粉碎。
[0022]上述步驟中可以採用常用的幹法粉碎，直接將原料破碎至比較合適的細度。為了取得更好的效果，本實施方式中，採用震動球磨研磨破碎的方法，將秸杆通過震動球磨機械衝擊中進行研磨。通過球磨的震動對秸杆進行機械方式的破碎，相比其他的破碎方法可以使纖維素的結構鬆散，和使微纖中及微纖間晶區中存在的分子間氫鍵斷裂，從而使棉纖維的水解速率和糖類物質的轉化率提高。
[0023]通過對秸杆進行機械粉碎至使原料的尺寸變小，一方面增大了纖維素原料的比表面積，另一方面破壞了其結晶性，經粉碎的纖維素粉末沒有膨脹性，體積小，可以提高基質濃度，更加利於光合細菌的利用。
[0024]S20，將秸杆經機械粉碎後的第一產物加入濃度為20%_30%的乙酸後，在高溫高壓環境下保持15min_35min。
[0025]在實際中，是將秸杆機械粉碎後的產物加入上述比例的乙酸溶液至溼潤的程度，然後在置入高壓滅菌鍋中保持15min-35min，一般高壓滅菌鍋中的溫度100°C _13°C、壓力為 102kPa-104kPa。
[0026]將上述粉碎後的秸杆產物進行高溫高壓處理，由於添加了乙酸，那麼在高溫高壓處理的過程中，秸杆中的纖維素、半纖維`素等等會在酸性條件下發生水解反應，產生還原性糖類物質用於光合細菌發酵過程中的底物和原料，直接被光合細菌利用。同時更加主要地，乙酸這一物質本身可以作為光合細菌產氫的底物和催化，比如沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)可以直接以乙酸為底物進行光合產氫的原料進行反應,且反應的速率和產物的轉化率比較高。
[0027]同時，經過該步驟處理，還能將秸杆中本身存在的其他雜菌滅除，以防止在發酵過程中對光合細菌生長產生抑制幹擾。[0028]S30，將步驟S20處理之後的第二產物冷卻，並用鹼液調節pH值至中性或者微鹼性。
[0029]由於在步驟S20中獲取的第二產物中，由於其還含有一定量的乙酸，在酸性的環境下，光合細菌大多無法正常生長，而不能進行發酵產氫，因此需要進行pH值調整，使產物的化學環境適於光合細菌生長。
[0030]採用本發明的上述農作物秸杆光合產氫的預處理方法，針對光合細菌發酵產氫過程中，原始秸杆中性質穩定的纖維結構無法進行良好利用的問題，將秸杆首先粉碎然後在乙酸的條件下進行水解，增大了纖維素原料的比表面積，破壞了纖維結晶性，使晶體纖維素成為無定型纖維素，並進一步打斷部分β_1，4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被水解為木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖。更加利於被光合細菌作為發酵產氫的底物直接利用，大大提高了光合產氫的速率和原料的轉化率。
[0031]進一步地，在上述實施方式中，步驟SlO中將秸杆原料破碎至超微的細度，因為出於上述破壞纖維結構和增加光合細菌發酵中接觸的立意，本發明中分別採取將同樣質量(每次5g，重複3次)的秸杆原料機械破碎至120目、150目、180目和超微的細度，按照上述預處理之後的產物取相同的質量的預處理產物，用鹼性酒石酸銅液滴定法進行還原性糖的量的測試結果如下表1。
[0032]表1:
[0033]
【權利要求】
1.一種農作物秸杆光合產氫的預處理方法，其特徵在於，包括如下步驟: 將農作物秸杆進行機械粉碎得到第一產物； 向所述第一產物加入20%-30%的乙酸溶液後置於高溫高壓條件下保持15min-35min得到第二產物； 將所述第二產物冷卻，並用鹼液調節PH值至中性或微鹼性得到預處理產物。
2.如權利要求1所述的農作物秸杆光合產氫的預處理方法，其特徵在於，所述將農作物秸杆進行機械粉碎得到第一產物步驟中，第一產物破碎至超微細度。
3.如權利要求1或2所述的農作物秸杆光合產氫的預處理方法，其特徵在於，向所述第一產物中加入乙酸溶液的濃度為25%。
4.如權利要要求I或2所述的農作物秸杆光合產氫的預處理方法，其特徵在於，所述第一產物加入20%-30%的乙酸溶液後置於高溫高壓條件下保持31min。
5.如權利要求2所述的農作物秸杆光合產氫的預處理方法，其特徵在於，將農作物秸杆進行機械粉碎的同時加入雙氧水，並在溫度為40°C _60°C下進行機械破碎。
6.如權利要求5所述的農作物稻杆光合產氫的預處理方法,其特徵在於，所述機械破碎為震動球磨研磨破碎。
7.如權利要求4所述的農作物秸杆光合產氫的預處理方法，其特徵在於，所述高溫高壓條件為:溫度 100°c - 130°c、氣壓 102kPa-104kPa。
【文檔編號】C12R1/01GK103667360SQ201310639170
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】曾德芳, 唐宏泉, 嚴歡, 陳玉國, 蔡振華 申請人:武漢惠農樂植物營養科技有限公司