一種玉米秸稈高價值綜合利用的方法
2023-07-13 20:27:46 4
專利名稱：一種玉米秸稈高價值綜合利用的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種玉米秸杆的處理方法，具體涉及一種利用玉米秸杆聯合生產乙醇、木質素、纖維、果膠、木糖和酵母的方法。
背景技術：
我國黃河以北是玉米主產區，玉米總面積達到2400hm2左右，玉米秸杆總產量大約為I. 6億噸。當前玉米秸杆的利用，主要為反芻動物的飼草料、成型燃料或粉碎還田，利用價值不高。有些地區則丟棄在地頭腐爛或者放火焚燒。造成資源浪費，還嚴重汙染環境。玉米秸杆乾物質約含纖維素33%，木質素15%，半纖維素20%，果膠9%，粗蛋白3. 5%,總糖含量10%，粗脂肪、礦物質等其它8. 5%左右。玉米秸杆經酸法水解，果膠、半纖維素、澱 粉等多糖可降解，還原糖可提高至20%左右。其中半纖維可降解為木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖。以上物質中，纖維素、木質素、果膠、木糖、還原糖都是十分寶貴的物資。還原糖可發酵生產燃料乙醇。乙醇發酵液產出大量酵母，可回收利用。最低級的利用是用於動物飼料。而高級的利用則是開發成營養食品。乙醇蒸餾後的醪液，富含胺基酸、蛋白質和營養鹽，可用於植物營養液。纖維素是葡萄糖長鏈聚合物，用途十分廣泛，應用領域包括造紙、建材、化工、化妝品、食品、醫藥、陶瓷、耐火材料、皮革、菸草等等。僅造紙材料而言，我國人口多，土地少，森林有限，木材資源緊缺，紙漿嚴重缺乏。每年紙漿缺口 3700萬噸，需花170億美元從國外進口紙漿，以滿足國內需求。木質素是芳香醇類聚合物，存在於玉米秸杆的木質組織中，形成交織網硬化細胞壁。木質素及其衍生物具有多種功能性，可作分散劑、吸附劑/解吸劑、石油回收助劑、浙青乳化劑。木質素與煤混合液化可產液體燃料。木質素還被廣泛應用於高速路面、機場跑道中，稱為路面木質素纖維。其質量標準為木質素含量75-80%，PH7. 5左右，最大長度llOOum，平均長度45um，體積密度25_30g/L。市場前景看好，價格2800至4500元/噸。果膠是良好的乳化、增稠、穩定和膠凝劑，廣泛應用於食品、紡織、印染、菸草、冶金等領域。果膠還有抗菌、止血、消腫、解毒、止瀉、降血脂、抗輻射等作用，是一種優良的藥物製劑基質。果膠也是水溶性膳食纖維，越來越受到研究與加工行業的重視。全球果膠的主要產量來自歐美國家，亞洲產量極少。目前，提取果膠的主要原料是柑桔皮、檸檬皮和蘋果渣。這些原料資源量十分有限，造成價格長期高達12萬元/噸不下。木糖的主要用途用於製備木糖醇，木糖醇的用途更加廣泛；作為無熱量甜味劑用於食品、飲料，適用於肥胖及糖尿病患者；作為雙歧桿菌活化劑、鈣吸收促進劑，用於提高人體免疫力的保健食品；應用於寵物飼料；用作烤製品；用作高檔醬油色；用於輕工、化工等方面。因此，玉米秸杆全身皆是寶。但是，現今玉米秸杆的利用技術和工藝，主要是為某單一產品利用目的設計的。單一產品的利用方法，如玉米秸杆生產紙漿或乙醇或木糖，必然有把其它有用成分廢棄，即造成大量廢棄物排放，又增加單一產品的成本。由於產出少，效益低，玉米秸杆原料價格不可能提高，勢必會抑制農戶收集玉米秸杆的積極性，嚴重製約玉米秸杆深加工產業化發展。因此，必須考慮一種高效簡便加工方案，提取以上多種有用物質，提高玉米秸杆的綜合利用水平和效率，實現以玉米秸杆為原料，一套工藝聯產乙醇、纖維、木質素、果膠、木糖和酵母 ，實現玉米主產區農業增效、農民增收，促進玉米種植業和相關加工業可持續發展。
發明內容
本發明的目的是為了提供一種方法，通過綜合利用玉米秸杆資源，聯合生產乙醇、纖維、木質素、果膠、木糖和酵母，從而分攤玉米秸杆的綜合利用成本，實現生產過程汙染物零排放，提高玉米秸杆資源利用效率。為了達到本發明的上述目的，本發明提出以下技術方法提供一種玉米秸杆的綜合利用方法，是以玉米杆為原料，通過連續的成套工藝聯產乙醇、纖維、木質素、果膠、木糖和酵母的方法；具體講，是先將玉米杆利用酸解法將其中的多糖、果膠、澱粉等可降解物降解為可溶性物質水溶液，實現渣料與可降解物的分離，然後將得到的可溶性物質水溶液用於發酵提取燃料乙醇、果膠、木糖，分離得到的渣料再用有機溶劑法生產纖維和木質素。本發明所述的方法，具體包括以下步驟a)將採收到的玉米秸杆去葉後粉碎成長度小於2釐米的絲狀，加入質量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質量濃度的硫酸，加入的稀糖汁與秸杆體積比為2 5
I，將得到的混合物料製成超過80目的漿料，並控制漿料中的水含量在85%以下，將漿料溫度升至7(TlO(rC，保持25 40分鐘，完成玉米秸杆第一次酸解，使玉米秸杆中的果膠充分溶解進入稀糖汁；將漿料分離成含水50%的渣料I和富含果膠和糖汁的水溶液I ;b)在步驟a)得到的渣料I中加入其體積2飛倍的質量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質量濃度的硫酸，浸泡15 30分鐘，然後使渣料溫度升至115 125°C，保持6(T90分鐘，完成二次酸解，使渣料中的澱粉、半纖維素、多糖充分降解；待渣料溫度降至IOO0C以下時，將處理後的漿料分離成渣料2和富含降解糖的水溶液2 ；c)將步驟b)得到的渣料2按體積I : I加入清水浸泡，待渣料中糖汁充分浸出後，進行渣液分離，獲得糖汁酸液I和渣料3 ；d)將步驟c)得到的渣料3加入其體積5 7倍的30%濃度的乙醇，再按lg/L的比例向渣料3和乙醇的混合物中添加KOH催化劑，混勻後，使物料溫度上升至100°C，保持6(T90分鐘，完成渣料3的醇解過程，使渣料3中的木質素充分降解；待物料溫度降至50°C以下，分離得到渣料4和木質素溶液；e)將步驟d)得到的渣料4用30%乙醇萃取殘留木質素，得到萃取液和纖維素；去除並回收步驟d)獲得的木質素溶液中的乙醇，得到析出有木質素的水溶液，再經常規處理獲得木質素；f)在步驟a)獲得的富含果膠和糖汁的水溶液I中加入活性炭進行脫色，活性炭加入的比例佔步驟a)所述的玉米秸杆乾物質重量的4 7%，脫色後過濾獲得活性炭渣I和濾液，濾液中按濾液體積的I. 5倍加入95%乙醇，使果膠變成絮狀物析出，完成果膠醇析,得到富含果膠絮狀物的漿液，再經固液分離得到溶液3和果膠固形物；溶液3經蒸餾後回收乙醇，剩餘為糖汁酸液2 ;g)將步驟b)獲得的富含降解糖的水溶液2和步驟f)獲得的糖汁酸液2混合得到混合糖汁，控制其中糖濃度為16 20%，在每升混合糖汁中加入生成0. 5^1. 5g的(NH4)2SO4所需的氨水、8 12g的MgS04、2飛g的KH2PO4和2飛g的CaCl2,再加入熟石灰調節糖汁pH至4 5 ；h)取步驟g)調製好的糖汁溶液的少部分，稀釋成糖度為2%的水溶液，加入糖質酒精安琪酵母，加入的糖質酒精安琪酵母是步驟g)得到的糖汁溶液總重量的I/萬，無菌風增氧條件下進行酵母擴繁r3小時；然後將擴繁後的酵母加入步驟g)調配好的剩餘糖汁中，充分混合，厭氧發酵2(T48小時，檢測殘餘還原糖含量，當還原糖含量小於0. 5%並連續3次檢測維持不變時，酒精發酵結束，得到活酵母沉澱物和清液1，清液I經蒸餾得到40%v/v的粗酒和醪液；i)步驟h)蒸餾後得到的醪液，按其中乾物質重量的4 7%加入活性炭，完成醪液的脫色，過濾獲得清液2和活性炭渣2 ;去除清液2中的帶電鹽分離子，然後經濃縮、降溫、力口晶核、結晶、乾燥，獲得木糖結晶粉；將步驟f)得到的活性炭渣I與本步驟得到的所有廢棄物混合，得到液體肥料。步驟f)中，得到的果膠固形物進一步經清洗、乾燥、粉碎後獲得果膠粉。步驟h)中，得到的粗酒可進一步通過常規方法製備得到燃料乙醇。步驟i)所述的去除清液2中的帶電鹽分離子優選通過離子交換和納米超濾的方法完成。步驟i)所述的本步驟得到的所有廢棄物包括活性炭渣2、去除清液2中的帶電鹽分離子時得到的廢液、和/或濃縮、降溫、結晶和乾燥過程得到的廢液。本發明的方案中，為了進一步降低成本、提高物料利用率，優選採用以下方式中的一種或多種步驟e)中，先將所述萃取液與步驟d)得到的木質素溶液混合後再去除和回收混 合溶液中的乙醇；步驟f)蒸餾後得到的糖汁酸液2用於步驟a)的第一次酸解或步驟b)的二次酸解；步驟e)或步驟f)回收的乙醇中的一種或兩種和步驟h)蒸餾得到的粗酒合併，經過精餾、脫水後得到濃度不低於95%的燃料乙醇；或者步驟h)得到的活酵母返回步驟h)的擴繁程序循環使用，重複利用6次後，回收製備得到酵母蛋白飼料。發明的方法可以使用各種現有設備完成，例如，步驟a)中，玉米秸杆的去葉和粉碎成絲可以採用ZL200910136184. 3中公開的大批量秸杆除葉裝置完成，該機器在清除秸杆葉子的同時，直接將玉米秸杆打成長度小於2釐米絲狀物；所述的玉米秸杆的去葉和粉碎也可以分步進行，其中粉碎成絲可以通過分絲機完成，分絲機可以是螺杆式分絲機，也可以是錘片式粉碎機；所述漿料的製備可以採用磨漿機製得，磨漿機優選採用耐酸材料製作的高濃磨漿機；步驟a)和b)中的酸解可以在蒸汽加熱的反應罐中完成；步驟b)和c)中分離渣料可使用不鏽鋼擠漿機；步驟e)中的蒸餾可以在蒸餾釜中完成；步驟g)中的發酵可以將物料用自吸泵抽送入發酵袋中完成；等等。
本發明的一種優選的方案，其工藝流程圖如圖I所示，具體步驟如下I)採收玉米秸杆，可以是新鮮秸杆，亦可以是曬乾的秸杆。原料運至加工廠後，採用ZL200910136184. 3中公開的大批量秸杆除葉裝置去除玉米秸杆葉子，該機器在清除秸杆葉子的同時，直接將玉米秸杆打成長度小於2釐米絲狀物；2)將95%濃硫酸，用4-10%濃度的稀糖汁配製成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，以備製漿使用；所需稀糖汁液的總量按所處理秸杆體積的1/5準備；秸杆處理量完成至1/5後，產出的步驟17)獲得的稀糖汁可替代本步驟配製的稀糖汁液，用於製漿；3)用不鏽鋼泵將步驟2)製備的稀糖汁液或者步驟10)和步驟17)得到的稀糖汁液泵入耐酸高濃磨漿機進料口，形成連續不斷的水流以備送料製漿；用輸送帶將步驟I)製成的玉米秸杆的絲狀物料，源源不斷地從磨漿機進料口餵入，調整稀酸或者稀糖汁流量，使之與秸杆體積比為疒5 I混合物料，通過耐酸磨漿機製成超過80目的稀酸漿料，漿料從 磨漿機出口排進位漿池；4)將步驟3)製成的漿料，用螺杆泵輸送入搪瓷反應罐，然後控制漿料中的水含量不超過85% ；5)用10%的稀硫酸溶液調整硫酸濃度，使步驟4)得到的漿料中硫酸濃度保持在5%。的目標濃度；6)待步驟5)的漿料硫酸濃度調好後，關閉反應罐，送蒸汽加溫，直至罐內溫度升至90°C，保持30分鐘，完成玉米秸杆一次酸解，使玉米秸杆的果膠充分溶解進入稀酸液；7)將步驟6)酸解處理後的玉米秸杆漿料從反應罐中排放到料倉，然後用不鏽鋼切割泵，通過不鏽鋼管道將熱漿料送入不鏽鋼擠漿機，至此，步驟6)的漿料被分離成含水50%的渣料和富含果膠和糖汁的水溶液；8)將步驟7)得到的渣料，按其體積的2倍加步驟2)配製的稀糖汁液，浸泡20分鐘，再用螺杆泵泵入搪瓷反應罐，待漿料灌滿後，關閉反應罐，通入蒸汽，使溫度上升至120°C，保持I小時，完成二次酸解，使渣料的澱粉、半纖維素、多糖充分降解；9)待步驟8)搪瓷反應罐溫度降至100°C以下時，將二次酸解處理後的漿料排入料倉，再用耐溫切割泵送入擠漿機，將步驟8)處理後的漿料分離成渣料和富含降解糖的水溶液；10)將步驟9)獲得的渣料，按體積I : I加入清水浸泡，待渣料糖汁充分浸出後，再用擠漿機壓榨，獲得稀糖汁和渣料，稀糖汁返回步驟3)製漿；11)將步驟10)獲得的渣料，按渣料體積的5倍加入30%乙醇，按lg/L比例添加KOH催化劑，混勻後，用螺杆泵送入搪瓷反應罐，關閉反應罐，送入蒸汽加熱，使溫度上升至100°c，保持I小時，完成渣料的醇解過程，使渣料的木質素充分降解；12)待步驟11)醇解後的漿料，溫度降至50°C以下，將漿料排入料倉，然後用切割泵泵入擠漿機，將纖維素與木質素溶液分離；13)將步驟12)獲得的渣料，先用30%乙醇清洗，然後用清水洗淨，漂白，即獲得纖維素；14)將步驟12)和步驟13)獲得的木質素乙醇萃取液蒸餾，使溶液中的乙醇濃度降低，同時回收酒液；濃縮液待乙醇揮發殆盡，由於木質素不溶於水而析出，將析出木質素過濾，洗淨，乾燥，即獲得木質素；回收的酒液繼續用於醇析，或用於蒸餾燃料乙醇；
15)將步驟7)獲得的果膠液，用耐酸泵送入耐酸罐內，按與玉米秸杆乾物質4 7%比例添加活性炭，進行果膠液脫色；脫色後過濾獲得的果膠液，按果膠液體積的I. 5倍加95%乙醇，完成果膠醇析過程，使果膠變成絮狀物析出；再將富含果膠絮狀物的漿液，用切割泵送入離心機，將糖汁和果膠分離；糖汁送入蒸餾器蒸餾，回收乙醇；16)清洗步驟15)過濾獲得的果膠固形物，乾燥，粉碎，即獲得果膠粉；17)將步驟9)得到的富含降解糖的水溶液和步驟15)糖汁蒸餾後獲得的糖汁酸液混合，控制糖濃度在18-20% ；18)將步驟17)得到的濃度在18-20%的糖汁，按生成的(NH4)2SO4為lg/L的比例加氨水，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加腿#04、按5g/L的比例加CaCl2,再加少量熟石灰，將水溶液至pH值調整至4到5 ;
19)按步驟18)調製好的糖汁溶液，取其中的1/1000，稀釋成糖度為2%的水溶液，投入酵母罐中，按步驟18)製備糖液的I/萬比例取糖質酒精安琪酵母，投入罐中，並用無菌風給罐中稀糖液增氧，進行酵母擴繁2小時；20)將步驟18)調製好的水溶液，用自吸泵抽送入發酵袋，同時將步驟19)擴繁的酵母液，隨抽入發酵袋的水溶液投入發酵袋中，然後封閉發酵袋進行厭氧發酵20至48小時，檢測殘餘還原糖含量，當還原糖含量小於0. 5%並連續3次檢測維持不變時，酒精發酵結束，得到殘留的沉澱物和酒液清液；21)保留步驟20)發酵袋內殘留的沉澱物一活酵母，用於下次糖液發酵，重複利用6次後，待酵母活性下降，回收酵母，清洗，乾燥，用於製備酵母蛋白飼料；22)提取步驟20)發酵成熟後的酒液清液，用自吸泵抽送入蒸餾釜，經過蒸餾提取40% (v/v)粗酒，再與步驟14)回收的酒液和步驟15)回收的乙醇一起精餾、脫水提取濃度不低於95%(v/v)的燃料乙醇和醪液；23)將步驟22)蒸餾後的醪液，按溶液中乾物質4 7%比例，加活性炭，完成醪液的脫色；過濾獲得清液和活性炭渣；24)將步驟23)獲得的清液，通過陰、陽、陰離子交換柱，部分去除溶液中的陰、陽離子，獲得富含木糖的溶液；25)將步驟24)獲得的溶液，通過納米超濾，進一步去除溶液的帶電鹽分離子；26)將步驟25)獲得的木糖溶液濃縮，降溫，加晶核，結晶，乾燥，獲得木糖結晶粉；27)將步驟26)、25)、24)的廢液和步驟23)、15)的廢渣及步驟24)離子交換柱洗脫液混合，得到液體肥料。本發明是從玉米秸杆的資源化利用出發提出來的，但是可以應用於稻草、菊花杆、麥杆等主要物質成分與玉米秸杆相近的秸杆。本發明提出以玉米秸杆等富含果膠、半纖維、纖維、木質素、糖分、澱粉、多糖的植物莖杆為原料聯合生產乙醇、果膠、木糖、纖維和木質素，回收酵母飼料的工藝，同現有玉米秸杆加工技術相比，有如下優勢與玉米秸杆「酸-酶-同步發酵法」制乙醇(呂偉民等，2002 ;陳明，2007)及水解制果膠(劉華敏，201010249450. 6)和「醇解-酸析法」(田毅紅等，2012)、高沸溶劑-水析法(李勉軍等，2002)提取木質素及其它秸杆制木糖、紙漿等工藝相比，這些工藝的秸杆利用目的單一，產品單一，經濟效益也較低，還有大量剩餘物被廢棄。實施結果是秸杆資源未充分利用，排放大量廢棄物，造成二次汙染。在實際生產中無法提高原料價格，無法提高農戶收集秸杆原料積極性。本發明考慮的是玉米秸杆全面綜合利用，即使是最後的廢液，也被利用為葉面肥，沒有固體廢物殘留和廢液排放，做到了一種玉米秸杆產出多種產品，且這些產品都是我國國 民經濟建設緊缺物資。圍繞這一工藝目標，本發明改變上述單一的工藝方法，採用多種降解方法聯用的方案，建立完善連貫的工藝流程，為玉米秸杆的完全利用出廠多種產品奠定了方法基礎。催化劑和降解劑選用其最終能夠轉化為肥料的碳酸鉀和硫酸；溶劑儘可能採用能夠重複回收利用或者作為產品回收的乙醇，為生產流程全過程無害化放奠定工藝基礎。與蘇州中能科技有限公司利用玉米秸杆聯產乙醇、包裝箱紙漿、木糖醇、沼氣、有機肥和果樹營養液的「酸-酶法」相比，本發明採用的是「酸-酸-醇解法」，利用玉米秸杆出廠產品，除了乙醇相同外，其他產品均不相同。本發明出產的其他產品為纖維、木質素、果膠、木糖、酵母飼料和液體肥料。其中的純淨纖維不僅可以用於包裝箱紙漿，還可以用於高檔紙漿及其他纖維材料。所產生的經濟效益，「酸-酶法」每投入5883元可產出價值7000元，利潤率為18. 99% ;而本發明的「酸-酸-醇解法」每加工I噸玉米秸杆，投入7570元，產出價值14440元，利潤率90. 75%。
圖I是本發明優選的技術方案的流程圖。
具體實施例方式實施例I以玉米秸杆為原料聯產乙醇、果膠、木糖、纖維、木質素，回收酵母飼料，其工藝流程具體實施過程如下I、收集幹玉米秸杆2千克，測含水量為15%，採用ZL200910136184. 3中公開的大批量秸杆除葉裝置清除葉片，獲得長度小於2cm的玉米秸杆絲1660克；2、將95%濃硫酸，用4-10%濃度的稀糖汁配製成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，然後將稀糖汁液與步驟I處理好的玉米秸杆按體積比2:1的比例混合，通過耐酸磨，將玉米秸杆磨成80目的漿料，體積大約為5m3 ；3、將步驟2得到的漿料泵入搪瓷反應罐，加熱至70-100°C，反應30min，完成一次
酸解，使果膠充分溶解於酸液；4、將步驟3 —次酸解處理後的漿料，排入料倉，然後用切割泵送進擠漿機，使果膠溶液與渣料分離；5、在步驟4得到的果膠溶液中，加入7g/L的活性炭，進行果膠液脫色；然後在脫色後的果膠液中，加入I. 5倍的95%乙醇，完成果膠醇析過程，使果膠絮凝；然後用離心機分離果膠和溶液；再將果膠清洗，乾燥，粉碎，獲得成品果膠粉160克；蒸餾溶液，回收乙醇用於後續工藝的醇解，同時獲得糖汁酸液；6、將步驟5獲得的糖汁酸液與步驟4分離獲得的渣料混合，泵入搪瓷反應罐，調整酸液濃度至5%。，關閉搪瓷反應罐，輸入蒸汽，使溫度上升至120°C，保持60min，完成二次酸解；然後加冷水，降溫至100°C以下，將二次酸解的漿料，排入料倉；
7、將步驟6 二次酸解獲得的漿料，泵入擠漿機，完成二次酸解的糖汁與渣料分離；二次酸解渣料經清水浸泡後再擠漿去水，獲得渣料以備後續工藝利用；8、步驟7 二次酸解渣料清洗後，按固液體積比1/5加30%乙醇溶液，再按lg/L比例加KOH催化劑，混勻後泵入搪瓷反應罐，關閉反應罐，加蒸汽，是溫度上升至100°C，完成醇解過程，使木質素溶解並與纖維素分離；9、醇解完成後，搪瓷反應罐加冷水冷卻至50°C以下，將漿料排入料倉；採用切割泵送入擠漿機，完成木質素溶液與纖維素分離；纖維素經30%溶液清洗，在用清水清洗，乾燥，即獲得純淨的纖維素603克；將纖維素30%乙醇清洗液與木質素溶液混合，在用蒸餾器蒸餾，回收乙醇；木質素沉澱乾燥，即獲得木質素產品288克；10、用濃縮或者加水的方法，調整步驟7得到的二次酸解的糖汁濃度至18%，pH值為2左右；先加氨水和營養鹽後加石灰水，中和糖汁酸液,調整pH至5左右；氨水和營養鹽加入量為按生成的(NH4)2SO4為lg/L的比例加氨水，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加KH2PO4、按5g/L的比例加CaCl2,得到待發酵糖汁；取待發酵糖汁中的1/1000，稀釋成·糖度為2%的水溶液，投入酵母罐中，按待發酵糖汁總量的I/萬比例取糖質酒精安琪酵母，投入罐中，並用無菌風給罐中稀糖液增氧，進行酵母擴繁2小時，得到酵母液；然後將剩餘的調製好的待發酵糖汁水溶液，用自吸泵抽送入發酵袋，同時將擴繁得到的酵母液，隨抽入發酵袋的水溶液投入發酵袋中，然後封閉發酵袋進行厭氧發酵30小時，檢測殘餘還原糖含量，當還原糖含量小於0. 5%並連續3次檢測維持不變時，酒精發酵結束，得到殘留的酵母沉澱物和酒液清液；11、抽取步驟10得到的酒精清液至蒸餾器蒸餾，提取粗酒；再經過精餾、脫水，獲得95% (v/v)的燃料乙醇210克；回收步驟10的酵母沉澱物，清洗，取出沉澱物，乾燥，即獲得酵母飼料20克；12、在步驟11乙醇蒸餾後剩餘的醪液中，按乾物質5%比例加活性炭，對醪液脫色；經脫色後的溶液，通過陰-陽-陰離子交換柱，在通過納米超濾，獲得木糖溶液；13、將步驟12得到的木糖溶液濃縮、冷卻、接入木糖晶、結晶獲得木糖晶粉126克；14、將步驟13產生的木糖結晶殘液、步驟12產生的離子交換柱洗脫液、活性炭廢渣混合，製成植物葉面肥或者肥料921克；通過以上流程，獲得粗果膠160克、纖維素603克、木質素288克、乙醇210克、木糖126克、酵母20克和液體肥料921克。相當於每加工2噸玉米秸杆，可獲果膠160千克、纖維素603千克、木質素288千克、乙醇210千克、木糖126千克、酵母20千克和液體肥料921千克。以上產品現時市場價格為果膠120元/千克、纖維素4元/千克、木質素3元/千克、乙醇5元/千克、木糖24元/千克、液體肥料0. 5元/千克計，以上各項產值為19200元、2412元、864元、1050元、3024元、460. 5元。秸杆2噸玉米秸杆總產值為27010. 5元。每加工I噸產值為13505. 25元。玉米秸杆按400元/噸計，原料成本為800元；2噸玉米秸杆加工成本電費450kwX0. 9元/kwhX lh=405元；人工費7人X 100元=700元；燃料費為1802元；輔料費2500元，其它，3593元，總成本費用為9800元。加工2噸玉米秸杆的利潤為17210. 5元(未含折舊、銷售、倉儲、運輸等其他間接成本 )。
權利要求
1.一種玉米秸杆的綜合利用方法，是以玉米杆為原料，通過連續的成套工藝聯產乙醇、纖維、木質素、果膠、木糖和酵母的方法；具體講，是先將玉米杆利用酸解法將其中的多糖、果膠、澱粉等可降解物降解為可溶性物質水溶液，實現渣料與可降解物的分離，然後將得到的可溶性物質水溶液用於發酵提取燃料乙醇、果膠、木糖，分離得到的渣料再用有機溶劑法生產纖維和木質素。
2.權利要求I所述的方法，具體包括以下步驟 a)將採收到的玉米秸杆去葉後粉碎成長度小於2釐米的絲狀，加入質量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質量濃度的硫酸，加入的稀糖汁與秸杆體積比為疒5 1，將得到的混合物料製成超過80目的漿料，並控制漿料中的水含量在85%以下，將漿料溫度升至7(TlO(rC，保持25 40分鐘，完成玉米秸杆第一次酸解，使玉米秸杆中的果膠充分溶解進入稀糖汁；將漿料分離成含水50%的渣料I和富含果膠和糖汁的水溶液I ; b)在步驟a)得到的渣料I中加入其體積2飛倍的質量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質量濃度的硫酸，浸泡15 30分鐘，然後使渣料溫度升至115 125°C，保持60、0分鐘，完成二次酸解，使渣料中的澱粉、半纖維素、多糖充分降解；待渣料溫度降至100°C以下時，將處理後的漿料分離成渣料2和富含降解糖的水溶液2 ； c)將步驟b)得到的渣料2按體積I: I加入清水浸泡，待渣料中糖汁充分浸出後，進行渣液分離，獲得糖汁酸液I和渣料3 ； d)將步驟c)得到的渣料3加入其體積5 7倍的30%濃度的乙醇，再按lg/L的比例向渣料3和乙醇的混合物中添加KOH催化劑，混勻後，使物料溫度上升至100°C，保持6(T90分鐘，完成渣料3的醇解過程，使渣料3中的木質素充分降解；待物料溫度降至50°C以下，分離得到渣料4和木質素溶液； e)將步驟d)得到的渣料4用30%乙醇萃取殘留木質素，得到萃取液和纖維素；去除並回收步驟d)獲得的木質素溶液中的乙醇，得到析出有木質素的水溶液，再經常規處理獲得木質素； f)在步驟a)獲得的富含果膠和糖汁的水溶液I中加入活性炭進行脫色，活性炭加入的比例佔步驟a)所述的玉米秸杆乾物質重量的4 7%，脫色後過濾獲得活性炭渣I和濾液，濾液中按濾液體積的I. 5倍加入95%乙醇，使果膠變成絮狀物析出，完成果膠醇析，得到富含果膠絮狀物的漿液，再經固液分離得到溶液3和果膠固形物；溶液3經蒸餾後回收乙醇，剩餘為糖汁酸液2 ； g)將步驟b)獲得的富含降解糖的水溶液2和步驟f)獲得的糖汁酸液2混合得到混合糖汁，控制其中糖濃度為16 20%，在每升混合糖汁中加入生成0. 5^1. 5g的(NH4)2SO4所需的氨水、8 12g的MgS04、2 6g的KH2PO4和2 6g的CaCl2,再加入熟石灰調節糖汁pH至4 5 ； h)取步驟g)調製好的糖汁溶液的少部分，稀釋成糖度為2%的水溶液，加入糖質酒精安琪酵母，加入的糖質酒精安琪酵母是步驟g)得到的糖汁溶液總重量的I/萬，無菌風增氧條件下進行酵母擴繁廣3小時；然後將擴繁後的酵母加入步驟g)調配好的剩餘糖汁中，充分混合，厭氧發酵2(T48小時，檢測殘餘還原糖含量，當還原糖含量小於0. 5%並連續3次檢測維持不變時，酒精發酵結束，得到活酵母沉澱物和清液1，清液I經蒸餾得到40%v/v的粗酒和醪液； i)步驟h)蒸餾後得到的醪液，按其中乾物質重量的4 7%加入活性炭，完成醪液的脫色，過濾獲得清液2和活性炭渣2 ;去除清液2中的帶電鹽分離子，然後經濃縮、降溫、加晶核、結晶、乾燥，獲得木糖結晶粉；將步驟f)得到的活性炭渣I與本步驟得到的所有廢棄物混合，得到液體肥料。
3.權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟f)中，得到的果膠固形物進一步經清洗、乾燥、粉碎後獲得果膠粉。
4.權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟h)中，得到的粗酒進一步通過常規方法製備得到燃料乙醇。
5.權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟i)所述的去除清液2中的帶電鹽分離子通過離子交換和納米超濾的方法完成。
6.權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟i)所述的本步驟得到的所有廢棄物包括活性炭渣2、去除清液2中的帶電鹽分離子時得到的廢液、和/或濃縮、降溫、結晶和乾燥過程得到的廢液。
7.權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟e)中，先將所述萃取液與步驟d)得到的木質素溶液混合後再去除和回收混合溶液中的乙醇。
8.權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟f)蒸餾後得到的糖汁酸液2用於步驟a)的第一次酸解或步驟b)的二次酸解。
9.權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟e)或步驟f)回收的乙醇中的一種或兩種和步驟h)蒸餾得到的粗酒合併，經過精餾、脫水後得到95%以上的燃料乙醇；步驟h)得到的活酵母返回步驟h)的擴繁程序循環使用，重複利用6次後，回收製備得到酵母蛋白飼料。
10.權利要求I所述的方法，具體步驟如下 1)採收玉米秸杆，可以是新鮮秸杆，亦可以是曬乾的秸杆。原料運至加工廠後，採用ZL200910136184. 3中公開的大批量秸杆除葉裝置去除玉米秸杆葉子，該機器在清除秸杆葉子的同時，直接將玉米秸杆打成長度小於2釐米絲狀物； 2)將95%濃硫酸，用4-10%濃度的稀糖汁配製成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，以備製漿使用；所需稀糖汁液的總量按所處理秸杆體積的1/5準備；秸杆處理量完成至1/5後，產出的步驟17)獲得的稀糖汁可替代本步驟配製的稀糖汁液，用於製漿； 3)用不鏽鋼泵將步驟2)製備的稀糖汁液或者步驟10)和步驟17)得到的稀糖汁液泵入耐酸高濃磨漿機進料口，形成連續不斷的水流以備送料製漿；用輸送帶將步驟I)製成的玉米秸杆的絲狀物料，源源不斷地從磨漿機進料口餵入，調整稀酸或者稀糖汁流量，使之與秸杆體積比為疒5 I混合物料，通過耐酸磨漿機製成超過80目的稀酸漿料，漿料從磨漿機出口排進位漿池； 4)將步驟3)製成的漿料，用螺杆泵輸送入搪瓷反應罐，然後控制漿料中的水含量不超過 85% ； 5)用10%的稀硫酸溶液調整硫酸濃度，使步驟4)得到的漿料中硫酸濃度保持在5%。的目標濃度； 6)待步驟5)的漿料硫酸濃度調好後，關閉反應罐，送蒸汽加溫，直至罐內溫度升至90° C，保持30分鐘，完成玉米秸杆一次酸解，使玉米秸杆的果膠充分溶解進入稀酸液； 7)將步驟6)酸解處理後的玉米秸杆漿料從反應罐中排放到料倉，然後用不鏽鋼切割泵，通過不鏽鋼管道將熱漿料送入不鏽鋼擠漿機，至此，步驟6)的漿料被分離成含水50%的渣料和富含果膠和糖汁的水溶液； 8)將步驟7)得到的渣料，按其體積的2倍加步驟2)配製的稀糖汁液，浸泡20分鐘，再用螺杆泵泵入搪瓷反應罐，待漿料灌滿後，關閉反應罐，通入蒸汽，使溫度上升至120°C，保持I小時，完成二次酸解，使渣料的澱粉、半纖維素、多糖充分降解； 9)待步驟8)搪瓷反應罐溫度降至100°C以下時，將二次酸解處理後的漿料排入料倉，再用耐溫切割泵送入擠漿機，將步驟8)處理後的漿料分離成渣料和富含降解糖的水溶液； 10)將步驟9)獲得的渣料，按體積I: I加入清水浸泡，待渣料糖汁充分浸出後，再用擠漿機壓榨，獲得稀糖汁和渣料，稀糖汁返回步驟3)製漿； 11)將步驟10)獲得的渣料，按渣料體積的5倍加入30%乙醇，按lg/L比例添加KOH催化劑，混勻後，用螺杆泵送入搪瓷反應罐，關閉反應罐，送入蒸汽加熱，使溫度上升至100°C， 保持I小時，完成渣料的醇解過程，使渣料的木質素充分降解； 12)待步驟11)醇解後的漿料，溫度降至50°C以下，將漿料排入料倉，然後用切割泵泵入擠漿機，將纖維素與木質素溶液分離； 13)將步驟12)獲得的渣料，先用30%乙醇清洗，然後用清水洗淨，漂白，即獲得纖維素； 14)將步驟12)和步驟13)獲得的木質素乙醇萃取液蒸餾，使溶液中的乙醇濃度降低，同時回收酒液；濃縮液待乙醇揮發殆盡，由於木質素不溶於水而析出，將析出木質素過濾，洗淨，乾燥，即獲得木質素；回收的酒液繼續用於醇析，或用於蒸餾燃料乙醇； 15)將步驟7)獲得的果膠液，用耐酸泵送入耐酸罐內，按與玉米秸杆乾物質4 7%比例添加活性炭，進行果膠液脫色；脫色後過濾獲得的果膠液，按果膠液體積的I. 5倍加95%乙醇，完成果膠醇析過程，使果膠變成絮狀物析出；再將富含果膠絮狀物的漿液，用切割泵送入離心機，將糖汁和果膠分離；糖汁送入蒸餾器蒸餾，回收乙醇； 16)清洗步驟15)過濾獲得的果膠固形物，乾燥，粉碎，即獲得果膠粉； 17)將步驟9)得到的富含降解糖的水溶液和步驟15)糖汁蒸餾後獲得的糖汁酸液混合，控制糖濃度在18-20%; 18)將步驟17)得到的濃度在18-20%的糖汁，按生成的(NH4)2SO4為lg/L的比例加氨/K，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加腿#04、按5g/L的比例加CaCl2,再加少量熟石灰，將水溶液至pH值調整至4到5 ; 19)按步驟18)調製好的糖汁溶液，取其中的1/1000，稀釋成糖度為2%的水溶液，投入酵母罐中，按步驟18)製備糖液的I/萬比例取糖質酒精安琪酵母，投入罐中，並用無菌風給罐中稀糖液增氧，進行酵母擴繁2小時； 20)將步驟18)調製好的水溶液，用自吸泵抽送入發酵袋，同時將步驟19)擴繁的酵母液，隨抽入發酵袋的水溶液投入發酵袋中，然後封閉發酵袋進行厭氧發酵20至48小時，檢測殘餘還原糖含量，當還原糖含量小於0. 5%並連續3次檢測維持不變時，酒精發酵結束，得到殘留的沉澱物和酒液清液； 21)保留步驟20)發酵袋內殘留的沉澱物一活酵母，用於下次糖液發酵，重複利用6次後，待酵母活性下降，回收酵母，清洗，乾燥，用於製備酵母蛋白飼料； 22)提取步驟20)發酵成熟後的酒液清液，用自吸泵抽送入蒸餾釜，經過蒸餾提取40%(v/v)粗酒，再與步驟14)回收的酒液和步驟15)回收的乙醇一起精餾、脫水提取濃度不低於95%(v/v)的燃料乙醇和醪液； 23)將步驟22)蒸餾後的醪液，按溶液中乾物質4 7%比例，加活性炭，完成醪液的脫色；過濾獲得清液和活性炭渣； 24)將步驟23)獲得的清液，通過陰、陽、陰離子交換柱，部分去除溶液中的陰、陽離子，獲得富含木糖的溶液； 25)將步驟24)獲得的溶液，通過納米超濾，進一步去除溶液的帶電鹽分離子； 26)將步驟25)獲得的木糖溶液濃縮，降溫，加晶核，結晶，乾燥，獲得木糖結晶粉； 27)將步驟26)、25)、24)的廢液和步驟23)、15)的廢渣及步驟24)離子交換柱洗脫液混合，得到液體肥料。
全文摘要
本發明提供一種玉米秸稈的綜合利用方法，是以玉米稈為原料，通過連續的成套工藝聯產乙醇、纖維、木質素、果膠、木糖和酵母的方法；具體講，是先將玉米稈利用酸解法將其中的多糖、果膠、澱粉等可降解物降解為可溶性物質水溶液，實現渣料與可降解物的分離，然後將得到的可溶性物質水溶液用於發酵提取燃料乙醇、果膠、木糖，分離得到的渣料再用有機溶劑法生產纖維和木質素。本發明所述的方法通過綜合利用玉米秸稈資源，聯合生產乙醇、纖維、木質素、果膠、木糖和酵母，從而分攤玉米秸稈的綜合利用成本，實現生產過程汙染物零排放，提高玉米秸稈資源利用效率。
文檔編號A23K1/16GK102796768SQ20121026623
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月30日 優先權日2012年7月30日
發明者張永北, 張愛誠, 羅靖, 陳武 申請人:張愛誠