专利名称：一种加压微波预处理木质纤维素的方法
技术领域：
本发明涉及一种处理木质纤维素的方法。
背景技术：
木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源之一，被认为是最重要的燃料酒精生产的后续资源物质。但是纤维素类物质结构复杂，纤维素酶难以进入纤维素的结晶区，使得纤维素的生物降解难 于迅速进行。因此人们不得不采用化学的、物理的方法进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素分离，解开纤维素内部氢键，将结晶纤维素转化为无定形纤维素，使预处理后所得的物质更易于被生物或者化学的方法水解。现有的各种预处理的方法和工艺成本过高、能耗过大，虽然目前利用木质纤维素生产燃料酒精的技术原理和工艺路线已被认知，但由于成本过高，导致纤维素酒精的价格尚无法与粮食酒精相竞争而一直没有得到推广应用。因此开发经济适用、效果好的预处理方法对生物质制取燃料酒精具有重要意义。目前主要的纤维素预处理方法有以下几个方面化学法主要有酸水解法和碱水解法。化学法能够获得较好的预处理效果，但是处理后样品的PH值偏高或偏低，必须进行pH值调节才能进行后续的糖化发酵工艺，同时还存在回收试剂、中和、洗涤等问题，处理用水量增加，后期废水处理费用也相应增加。物理化学方法主要有蒸汽爆破法和CO2爆破法。蒸汽爆破法是将物料加热至200°C 左右保持0. 5 15min，水分子在高温高压下能够穿透生物质的细胞壁结构，然后迅速打开阀门降压，造成纤维素晶体的爆裂，木质素和纤维素分离。该法缺点是高温高压环境，对设备要求严格，成本高，同时造成企业生产废水的排出，造成废水处理成本的增加；CO2爆破法的原理与操作过程类似于蒸汽爆破法，但是成本高于蒸汽爆破法。物理法有机械破碎、高温热水预处理和微波预处理等方法。机械破碎是一种最常使用的植物纤维素原料预处理方法，大多数植物纤维素原料在进行其他的预处理以前，都要对其进行机械破碎。对于机械破碎预处理而言，尽管处理后粒径越小越有利于后续的水解，但所需要的能量也会增加，所以存在一个机械破碎预处理植物纤维素原料的最佳粒径。 机械破碎法的缺点是耗能大，耗能占生产过程总耗能的50 60% ；高温热水预处理是在高温高压(温度> 200°C，压力大于同温度下的饱和蒸汽压)使用液态水对植物纤维素原料进行预处理的过程。高温热水预处理会导致有价值组分的损失，且水解产物对下游酒精发酵具有一定的抑制作用。微波预处理是利用表面微波改变植物纤维素原料的超分子结构，使纤维素结晶区尺寸发生变化；能够部分降解木质素和半纤维素，从而增加其可及度，提高植物纤维素的酶水解的效率。生物方法预处理植物纤维素原料，文献报道最多的是白腐真菌分解植物纤维素原料中的木质素，进而提高植物纤维素原料的水解效率。但存在周期长，菌体会利用部分纤维素与半纤维素，使植物纤维素原料的水解得率降低等不足。专利名称为“用于燃料酒精生产的原料微波预处理方法(申请号=200710144429. 8，申请日2007年10月12日，
公开日2008年4月30日)”的专利中预处理时间长(30 60min)，致使能耗大，成本高，用水量大 (固液比1 30 50)，且还原糖的转化率低，仅为70. 2%，其中葡萄糖转化率为49. 1%， 木糖的转化率为211%，76%的理论乙醇产率。
发明内容
本发明目的是为了解决现有作为酒精原料的木质纤维素，其预处理方法存在用水量大、成本高、能耗大和还原糖的转化率低的问题，而提供一种加压微波预处理木质纤维素的方法。加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行取4 6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10 40目的粉末，然后按固液比1 5 20加入蒸馏水，在温度为 110 150°C的条件下加压微波处理2 15min，即完成加压微波预处理木 质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0. 1 0. 5MPa，所用微波频率为450MHz。本发明达到了在保证预处理效果的前提下，缩短了处理时间，降低用水量(固液比1 5 20)，降低了生产能耗和成本，同时不造成二次污染，易于实现工业应用的目的。本发明中加压微波预处理条件相对于其它预处理方法温和一些，反应的温度压强要求都不是很高(本发明中反应温度为110 150°C，压力为0. 1 0. 5MPa)，安全性高，能耗小；不需要添加任何化学试剂，且反应时间短(本发明中反应时间仅为2 15min)，相应节省了成本。本发明中预处理的秸秆作底物，用纤维素酶水解和同时等温糖化发酵(SSF)时， 获得还原糖的转化率为87. 09% 91. 3%，其中葡萄糖转化率为60. 95% 64. 89%，木糖的转化率为26. 14% 30. 08%，82% 85%的理论乙醇产率。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行取4 6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10 40目的粉末，然后按固液比1 5 20加入蒸馏水，在温度为110 150°C的条件下加压微波处理2 15min，即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0. 1 0. 5MPa，所用微波频率为450MHz。本实施方式中微波预处理采用的微波处理器型号为美国CEM公司生产的Mars5高通量密闭微波消解系统(微波消解仪)，微波频率450MHz。本实施方式中加压微波处理后，不用进行洗涤过滤。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一的不同是木质纤维素为甘蔗、稻壳、秸秆中的一种或其中几种的组合。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。本实施方式中木质纤维素为混合物时，各组分间按任意比例混合。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二的不同是取4g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10目的粉末，然后按固液比1 5加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一或二的不同是取6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成40目的粉末，然后按固液比1 20加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一或二的不同是取4. 2 5. Sg已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成20 30目的粉末，然后按固液比1 7.5 12.5加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一或二的不同是取5g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成25目的粉末，然后按固液比1 10加入蒸馏水。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一的不同是在温度为 1 10°c的条件下加压微波处理15min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至六之一的不同是在温度为 150°C的条件下加压微波处理2min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至六之一的不同是在温度为 120 140°C的条件下加压微波处理5 12min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至六之一的不同是在温度为 130°C的条件下加压微波处理lOmin。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
十一本实施方式加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行取5g已干燥至恒重的秸秆，粉碎成30目的粉末，然后按固液比1 10加入蒸馏水，在温度为130°C的条件下加压微波处理5min，即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0. 3MPa，所用微波频率为450MHz。本实施方式中预处理所得秸秆作底物(即加压微波预处理木质纤维素)，用纤维素酶水解和同时等温糖化发酵(SSF)时，获得还原糖的转化率为87.09%，其中葡萄糖转化率为60. 95%，木糖的转化率为26. 14%，82%的理论乙醇产率。本实施方式中加压微波预处理法与其它预处理方法的比较，结果如表1所示，力口压微波预处理条件相对温和一些，反应的温度压强要求都不是很高，安全性高，能耗小；不需要添加任何化学试剂，且反应时间短，相应节省了成本。表 权利要求
1.一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于加压微波预处理木质纤维素的方法按以下过程进行取4 6g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成10 40目的粉末， 然后按固液比1 5 20加入蒸馏水，在温度为110 150°C的条件下加压微波处理2 15min,即完成加压微波预处理木质纤维素；其中加压微波处理所用压力为0. 1 0. 5MPa, 所用微波频率为450MHz。
2.根据权利要求1所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于木质纤维素为甘蔗、稻壳、秸秆中的一种或其中几种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于取4. 2 5. Sg已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成20 30目的粉末，然后按固液比 1 7. 5 12. 5加入蒸馏水。
4.根据权利要求3所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于取5g已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成25目的粉末，然后按固液比1 10加入蒸馏水。
5.根据权利要求4所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于在温度为120 140°C的条件下加压微波处理5 12min。
6.根据权利要求4所述的一种加压微波预处理木质纤维素的方法，其特征在于在温度为130°C的条件下加压微波处理lOmin。
全文摘要
一种加压微波预处理木质纤维素的方法，它涉及处理木质纤维素的方法。它解决了现有木质纤维素的预处理方法存在用水量大、成本高、能耗大和还原糖的转化率低的问题。方法取已干燥至恒重的木质纤维素，粉碎成末，然后加蒸馏水，加压微波处理后即完成。本发明达到了在保证预处理效果的前提下，缩短了处理时间，降低用水量，降低了生产能耗和成本，同时不造成二次污染，易于实现工业应用的目的。本发明中加压微波预处理条件相对于其它预处理方法温和一些，反应的温度压强要求都不是很高(反应温度110～150℃，压力0.1～0.5MPa)，安全性高，能耗小；不需要添加任何化学试剂，且反应时间短(仅为2～15min)，节省了成本。
文档编号C12P7/10GK102220384SQ201110098218
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者冯玉杰, 刘玉蕾, 李冬梅 申请人:哈尔滨工业大学