一種木質纖維素原料的前處理方法
2023-05-16 01:40:41
一種木質纖維素原料的前處理方法
【專利摘要】本發明涉及一種木質纖維素原料的前處理方法，其具體步驟為：(1)將木質纖維素原料粗切，並除去沙石等大顆粒雜物；(2)將步驟(1)得到的木質纖維素原料進行除去灰分的操作；(3)將步驟(2)得到的木質纖維素原料進行預處理操作；(4)將步驟(3)得到的木質纖維素原料進行酶水解或同步糖化與發酵等加工工序。本發明的優點：灰分的徹底清除，可以有效避免木質纖維素原料中偏鹼性灰分對預處理過程化學催化劑的中和作用，降低預處理過程的化學試劑用量，提高預處理效果和木質纖維素原料中的纖維素及半纖維素轉化率。
【專利說明】一種木質纖維素原料的前處理方法
【【技術領域】】
[0001]本發明涉及生物煉製與生物能源領域，具體的是一種木質纖維素原料的前處理方法。
【【背景技術】】
[0002]木質纖維素原料的生物加工工藝一般包括預處理、糖化、發酵、產物分離等工序。預處理是指通過各種物理、化學和生物等方法破壞木質纖維素的原有組成和結構的工序，能夠大幅度提高後續糖化和發酵工序的效率，提高纖維素及半纖維素組分的轉化率。因此，可以說木質纖維素的預處理是整個生物加工過程中最關鍵的步驟。
[0003]目前，對木質纖維素原料最主流的預處理方法包括稀酸預處理和蒸汽爆破預處理方法，尤其以添加有化學試劑如硫酸和二氧化硫的正氣爆破預處理最為有效。其原理是利用高溫高壓下的酸性環境來水解半纖維素，並破壞木質纖維素的結構。一般而言，預處理條件的酸性越強，預處理效果越好。但是，木質纖維素原料例如秸杆、麥杆等農業廢棄物，在收穫的時候攜帶了大量的泥土、灰塵等物質。其主要成分為鈣鹽、鎂鹽、矽酸鹽等鹼性化合物，如果在預處理時殘留在原料中，就會與稀酸發生中和作用，從而弱化預處理時的酸性環境，並降低水解半纖維素的能力，使預處理效果變差，最終導致後續纖維素酶水解效率變差或者發酵性能變差。
[0004]因此，在木質纖維素預處理之前，開發合適的前處理工藝可以有效提高木質纖維素原料的預處理效果，降低預處理過程中化學試劑的用量，從而降低預處理過程的成本乃至整個木質纖維素生物加工過程的成本，對以木質纖維素為原料的生物煉製產業具有明顯的推動作用。
【
【發明內容】
】·
[0005]本發明目的在於克服現有木質纖維素原料預處理技術的不足，提供一種木質纖維素原料的前處理方法，降低原料中粉塵含量，有效減少硫酸用量，強化預處理效果，提高木質纖維素原料的酶解性，有利於對木質纖維素酶解產物的再加工。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0007]第一技術方案:
[0008]一種木質纖維素原料的前處理方法，其具體步驟為:
[0009](I)將木質纖維素原料粗切，並除去沙石等大顆粒雜物；
[0010]所述的木質纖維素選自玉米秸杆、麥杆、稻杆、棉杆、油菜杆、甜高粱莖杆、甘蔗渣、木屑、廢紙、柳枝稷或者麻風樹籽殼中的一種或幾種混合物；
[0011]粗切的方法包括磨碎、切碎、碾碎、粉碎和撕碎；粗切後的木質纖維素粗粒長度為
0.1~IOcm,優選長度為I~5cm ；
[0012](2)將步驟(1)得到的木質纖維素原料進行除去灰分的操作；
[0013]去除粉塵的工序包括手工水洗、機械水洗、機械震蕩除塵等其中一項或多項；[0014]除去灰分後木質纖維素原料的pH值呈中性或弱鹼性，pH值範圍為7.0~8.0 ;
[0015]所述的pH值是指將乾物料與去離子水以1: 10到1: 20之間混合時的混合物中液體的pH值。
[0016](3)將步驟(2)得到的木質纖維素原料進行預處理；
[0017]預處理方法包括機械破碎、高溫熱分解、酸處理、鹼處理、有機溶劑處理、蒸汽爆破、氨纖維爆破、液態熱水法、生物降解法等預處理方法中的一項或多項；
[0018]預處理方法所用的設備為螺帶攪拌式預處理反應器；所述的螺帶攪拌式預處理反應器的釜體上安裝有機械攪拌裝置，機械攪拌裝置包括外置馬達以及組合攪拌槳，組合攪拌槳為螺帶槳和刮底槳；螺帶槳通過支撐杆固定在攪拌軸上，並自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體；刮底槳固定在攪拌軸的底端，並且貼近釜體底部；刮底槳為槳式或者錨式槳；
[0019](4)將步驟(3)得到的預處理後的木質纖維素原料進行酶水解或同步糖化與發酵
等加工工序。
[0020]酶水解中採用的酶選自纖維素酶、纖維二糖酶、木聚糖酶、木質素酶、酯酶或者果膠酶中的一種或幾種混合酶；
[0021]發酵加工過程包括對木質纖維素物料酶水解得到產物的乙醇發酵、沼氣發酵以及所有以糖為平臺的生物 煉製過程。
[0022]第二技術方案:
[0023]一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，其具體步驟為:
[0024](I)將木質纖維素原料進行除去灰分的操作，並除去沙石等大顆粒雜物；
[0025](2)將步驟(1)得到木質纖維素原料粗切；
[0026](3)將步驟(2)得到的木質纖維素原料進行預處理；
[0027](4)將步驟(3)得到的預處理後的木質纖維素原料進行酶水解或同步糖化與發酵
等加工工序。
[0028]其它技術特徵同第一技術方案。
[0029]與現有技術相比，本發明的積極效果是:
[0030](I)本發明的原料來源廣泛，適用於所有含有塵土的木質纖維素原料，包括玉米秸杆、麥杆、稻杆、棉杆、油菜杆、甜高粱莖杆、甘蔗渣、柳枝稷、麻風樹籽殼等原料中的一種或幾種的組合；
[0031](2)本發明適用於幾乎所有的預處理方法，包括蒸汽汽爆預處理方法、高溫稀酸預處理方法、高溫SO2預處理方法、氨纖維膨爆預處理方法、液氨循環滲透預處理方法、二氧化碳膨爆預處理方法、鹼石灰預處理方法、溼氧化法等預處理方法中的一種或幾種的組合預處理方法；
[0032](3)本發明降低原料中粉塵含量，有效減少硫酸用量，強化預處理效果，提高木質纖維素原料的酶解性，有利於對木質纖維素酶解產物的再加工。在強化預處理效果的同時，大大降低了預處理過程的能耗，節約了預處理的成本；
[0033](4)經過本發明處理後的木質纖維素原料的酶解程度高，生物煉製產物的得率較聞。【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0034]圖1本發明的反應器的結構示意圖；
[0035]附圖中的各標號分別為:1、加料器，2、加料口，3、螺帶槳，4、釜體外壁測溫管，5、測溫口，6、保溫層，7、刮底槳，8、高溫蒸汽入口，9、出料口，10、密封螺絲，11、排水口，12、傳動裝置。
【【具體實施方式】】
[0036]以下提供本發明一種木質纖維素原料的前處理方法的【具體實施方式】。
[0037]實施例1
[0038]將風乾的玉米秸杆粗切成0.1~IOcm長，不進行清洗除塵直接用錘式粉碎機粉碎至顆粒尺寸為0.1-0.5cm，此時物料pH值為9.1。接著物料經稀酸高溫預處理(固液比2: 1，硫酸用量2.5% (w/w)，反應溫度190°C，3分鐘)，預處理所用的設備為螺帶攪拌式預處理反應器(結構見附圖1)，將預處理後的秸杆放入三角搖瓶中；固體含量達2% (w/w),並加入纖維素酶(上海尤特爾公司)，酶量為15FPU/gDM，50°C，150rpm水浴搖床酶解72h，纖維素的轉化率僅為27%。
[0039]參見附圖1，所述的螺帶攪拌式預處理反應器的釜體上安裝有機械攪拌裝置，機械攪拌裝置包括外置馬達以及組合攪拌槳，其特徵在於，組合攪拌槳為螺帶槳3和刮底槳7 ；螺帶槳通過支撐杆固定在攪拌軸上，並自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體；刮底槳固定在攪拌軸的底端，並且貼近釜體底部；刮底槳為槳式或者錨式槳。
[0040]所述的機械攪拌裝置，即傳動裝置12，由電機直接帶動攪拌或電機-磁鋼傳動磁力攪拌，機械攪拌裝置通過螺栓固定在釜體頂部。
[0041]所述的螺帶槳的外緣設有刮片單元，可以有效清除預處理過程中預處理反應器內表面粘貼的物料。
[0042]螺帶槳保證了預處理過程可以在0-100%的固體含量條件下進行蒸汽、硫酸和木質纖維素原料的有效混合，避免局部溫度過高和抑制物的過量生成；螺帶槳外緣的刮片結構可以保證預處理後的物料都能夠排出反應器，避免了大量預處理物料的釜內殘留。
[0043]攪拌槳的加入，使預處理時反應器可以填滿木質纖維素原料，從而降低預處理過程的蒸汽能耗和水耗，減少預處理廢水的產生。
[0044]所述的釜體上設有高溫蒸汽入口 8、測溫口 5、釜體外壁測溫管4、保溫層6、底部出料口 9和底部排水口 11 ;高溫蒸汽入口嵌入釜體底部，四個蒸汽入口均位於底部同一平面四個對稱位置；測溫口是由不鏽鋼製備的熱電偶夾套，從罐體頂部深入反應釜內；釜體外壁測溫管位於釜體背部，並緊貼反應釜外壁；保溫層是在釜體外壁纏繞加熱帶、石棉等保溫材料。
[0045]釜體外壁測溫管測定預處理中釜體外壁溫度；上部測溫口伸入釜體測定釜中心溫度；釜體底部設有出料口，出料口由五個密封螺絲10保證釜體密封性以及在預處理中釜體內能維持4.0MPa壓力，出料時擰開密封螺絲，向下卸開出料極為方便；底部排水口用於排出預處理中產生的少量冷凝水。
[0046]在釜體上端設有加料器I，下端設有放料口 2 ；
[0047]加料器通過螺紋與加料口相連，是通過外接連接於釜體內部的進料裝置，加料器含有螺杆輸送單元，通過固定軸與外動力相連，適於輸送固體或半固體的木質纖維素原料進入釜內，物料經過螺杆的剪切作用後進入釜體內部，進一步降低物料粒徑，使其預處理更加允分。
[0048]釜體上的外壁測溫管和測溫口的設置不影響螺帶槳的全空間混合與攪拌；同時，與釜體配套的還有溫度顯示儀和壓力顯示器，溫度顯示儀是顯示測溫口和反應釜外壁測溫管的外接溫度顯示裝置，而在釜體上部有釜體壓力感應顯示器，實時對體系的溫度和壓力進行監測，以便控制最佳的預處理反應條件。
[0049]實施例2
[0050]將風乾的玉米秸杆粗切成0.1~IOcm長，不進行清洗除塵直接於錘式粉碎機中粉碎至顆粒尺寸為0.1-0.5cm，此時物料pH值為9.1。接著物料經稀酸高溫預處理(固液比I: 1，硫酸用量5% (w/w)，反應溫度190°C，3分鐘)，預處理所用的設備為螺帶攪拌式預處理反應器，結構同實施例1 ;將預處理後的秸杆放入三角搖瓶中，固體含量達2% (w/w)，並加入纖維素酶(上海尤特爾公司)，酶量為15FPU/gDM，50°C，150rpm水浴搖床酶解72h，纖維素的轉化率為50%。
[0051]實施例3
[0052]將風乾的玉米秸杆粗切成0.1~IOcm長，以質量比200: I (水:秸杆)的比例加入水清洗秸杆，清洗完置於105°C烘箱中烘乾，烘乾後於錘式粉碎機中粉碎至顆粒尺寸為
0.l-ο.5cm，清洗除塵後物料pH值為8.0。接著物料經稀酸高溫預處理(固液比2: 1，硫酸用量2.5% (w/w)，反應溫度190°C，3分鐘)，預處理所用的設備為螺帶攪拌式預處理反應器，結構同實施例1 ;將 預處理後的秸杆放入三角搖瓶中，固體含量達2% (w/w)，並加入纖維素酶(上海尤特爾公司)，酶量為15FPU/gDM，50°C，150rpm水浴搖床酶解72h，纖維素的轉化率可以達到55%。
[0053]實施例4
[0054]將風乾的玉米秸杆粗切成0.1~IOcm長，以質量比200: I (水:秸杆)的比例加入水清洗秸杆，清洗完置於105°C烘箱中烘乾，烘乾後於錘式粉碎機中粉碎至顆粒尺寸為
0.1-0.5cm，清洗除塵後物料pH值為8.0。接著物料經稀酸高溫預處理(固液比1: 1，硫酸用量5% (w/w)，反應溫度190°C，3分鐘)，預處理所用的設備為螺帶攪拌式預處理反應器，結構同實施例1 ;將預處理後的秸杆放入三角搖瓶中，固體含量達2% (w/w)，並加入纖維素酶(上海尤特爾公司)，酶量為15FPU/gDM，50°C，150rpm水浴搖床酶解72h，纖維素的轉化率可以達到81%。
[0055]實施例5
[0056]將風乾的玉米秸杆以質量比200: 1(水:秸杆)的比例加入水清洗秸杆，清洗完置於105°C烘箱中烘乾，烘乾後於錘式粉碎機中粉碎至顆粒尺寸為0.1-0.5cm，清洗除塵後物料PH值為8.0，然後再粗切成0.1~IOcm長。接著物料經稀酸高溫預處理(固液比
I: 1，硫酸用量5% (w/w)，反應溫度190°C，3分鐘)，預處理所用的設備為螺帶攪拌式預處理反應器，結構同實施例1 ;將預處理後的秸杆放入三角搖瓶中，固體含量達2% (w/w)，並加入纖維素酶(上海尤特爾公司)，酶量為15FPU/gDM，50°C，150rpm水浴搖床酶解72h，纖維素的轉化率可以達到81%。
[0057]本發明所涉及的秸杆的處理方法不限於高溫稀酸預處理方法，還可以為高溫SO2預處理方法、氨纖維膨爆預處理方法、液氨循環滲透預處理方法、二氧化碳膨爆預處理方法、鹼石灰預處理方法或者溼氧化法中的一種或幾種組合方法。
[0058]本發明所涉及的酶不限於纖維素酶，還可以為纖維二糖酶、木聚糖酶、木質素酶、酯酶或者果膠酶中的一種或幾種混合酶。
[0059]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。·
【權利要求】
1.一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，其具體步驟為: (1)將木質纖維素原料粗切，並除去沙石大顆粒雜物； (2)將步驟(1)得到的木質纖維素原料進行除去灰分的操作； (3)將步驟(2)得到的木質纖維素原料進行預處理； (4)將步驟(3)得到的預處理後的木質纖維素原料進行酶水解或同步糖化與發酵加工工序。
2.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(I)中，所述的木質纖維素選自玉米秸杆、麥杆、稻杆、棉杆、油菜杆、甜高粱莖杆、甘蔗渣、木屑、廢紙、柳枝稷或者麻風樹籽殼中的一種或幾種混合物。
3.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(I)中，粗切的方法包括磨碎、切碎、碾碎、粉碎和撕碎；粗切後的木質纖維素粗粒長度為0.1~IOcm,優選長度為I~5cm。
4.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(2)中，去除粉塵的工序包括手工水洗、機械水洗、機械震蕩除塵中一項或多項。
5.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(2)中，除去灰分後木質纖維素原料的pH值呈中性或弱鹼性，pH值範圍為7.0~8.0;所述的pH值是指將乾物料與去離子水以1: 10到1: 20之間混合時的混合物中液體的pH值。
6.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(3)中，預處理方法包括機械破碎、高溫熱分解、酸處理、鹼處理、有機溶劑處理、蒸汽爆破、氨纖維爆破、液態熱水法、生物降解法預處理方法中的一項或多項。
7.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(3)中，預處理方法所用的設備為螺帶攪拌式預處理反應器；螺帶攪拌式預處理反應器的釜體上安裝有機械攪拌裝置，機械攪拌裝置包括組合攪拌槳，組合攪拌槳為螺帶槳和刮底槳；螺帶槳通過支撐杆固定在攪拌軸上，並自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體；刮底槳固定在攪拌軸的底端，並且貼近釜體底部；刮底槳為槳式或者錨式槳。
8.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(4)中，酶水解中採用的酶選自纖維素酶、纖維二糖酶、木聚糖酶、木質素酶、酯酶或者果膠酶中的一種或幾種混合酶。
9.如權利要求1所述的一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，在所述的步驟(4)中，發酵加工過程包括對木質纖維素物料酶水解得到產物的乙醇發酵、沼氣發酵以及所有以糖為平臺的生物煉製過程。
10.一種木質纖維素原料的前處理方法，其特徵在於，其具體步驟為: (1)將木質纖維素原料進行除去灰分的操作，並除去沙石大顆粒雜物； (2)將步驟(1)得到木質纖維素原料粗切； (3)將步驟(2)得到的木質纖維素原料進行預處理； (4)將步驟(3)得到的預處理後的木質纖維素原料進行酶水解或同步糖化與發酵加工工序。
【文檔編號】C12P7/10GK103849655SQ201210510127
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月3日 優先權日:2012年12月3日
【發明者】鮑傑, 方鎮宏, 張建 申請人:華東理工大學