专利名称：对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的方法
技术领域：
本发明属于秸秆的生物化工领域，特别涉及一种对植物秸秆进行汽爆-微波耦 合处理分离秸秆组分的方法，该方法对植物秸秆进行汽爆耦合微波预处理，可有 效地分级分离植物秸秆中的半纤维素、木质素和纤维素，可大大提高秸秆纤维质 的可酶击性，有利于实现秸秆的高值化和生物质全利用。
背景技术：
存在于秸秆中的非水溶性木质纤维素很难被微生物或酶水解，主要是因为纤 维素的结晶度、聚合度以及环绕着纤维素与半纤维素缔合的木质素鞘所致.木质 素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包埋在其中.形成一种天然屏障， 使酶不易与纤维素分子接触，减少了纤维素的水解效能。因此，为了提高秸秆的 高值化分级或全利用以及秸秆纤维素的可酶解性或可发酵性，首先必须对秸秆进 行预处理。传统的酸碱预处理以水作溶剂，产生的黑液易污染环境，需要价格高昂的防 腐设备。因而环境友好无污染和经济效能性成为预处理方法的关键。目前国内外 存在着有机溶剂(乙醇、乙二醇、甲醇、甲酸、乙酸以及乙酸乙酯等)对秸秆及非秸秆类生物质进行预处理的报道，比如中国专利CN 1566520A，美国专利 4100016， 4746401， 4135967，研究得比较多的是乙醇加催化剂或乙醇自催化等等， 但这些低沸点有机溶剂易挥发，尤其乙醇极易发生爆炸，需要设备耐高压、密封 性好，不允许有任何的泄漏，因而给实际生产的设备成本和操作安全性带来了极 大困难。而甘油作为一种新型预处理溶剂，它的沸点高(29(TC)，能够实现低压高 温预处理；热敏性强，温控性好，可以实现处理时的快速升温和降温；作为三元 醇，通过氧化、醇解等反应改变木质素化学结构，从而使木质素与纤维素(半纤 维素)的结合中断裂脱落，实现了秸秆的选择性预处理和分级分离。另外国内专利CN1424459A， CN1680413A，利用1.4-丁二醇等有机溶剂的高 沸点、易回收循环利用等优点，通过加热加压使木质素从纤维素上脱离溶解于溶 剂中。但每公斤1.4-丁二醇价格是甘油2倍多，而且随着美国等国的生物柴油产量剧增，作为生物柴油的副产品，甘油的产量也大大提高，从而将引起甘油市场价 格的降低，所以甘油作为溶剂的经济性相当可观。另外，陈洪章等早期公开了 CN1806945A，微波辅助离子液预处理汽爆麦草后， 48-72h纤维素酶解率可达到100。/。，但由于离子液的合成工艺复杂，而且合成成本 较高，因而工业化较困难。在此基础上，本发明公开了一种秸秆经汽爆后，微波辅助甘油预处理的组分 分级分离新方法。该方法首先从汽爆秸秆的水洗液中静置沉淀出半纤维素，水洗 后的汽爆秸秆进行微波辅助甘油预处理，然后再水洗过滤，滤饼即为粗纤维素， 滤液经静置沉淀分离出木质素，通过减压浓縮回收甘油再反复循环利用，从而实 现了秸秆组分的分级分离。该方法无废水或少量排放，能够实现从源头上规避污 染，从而形成了几乎"零排放"的封闭循环系统，是一种"绿色"生物质化工的 预处理技术。发明内容本发明目的是针对目前秸秆类可再生资源利用率低、环境污染严重和预处理 的经济效能性不高，以及秸秆类生物质生态全利用和高值化分级利用技术理念， 而提出的一种蒸汽汽爆-微波耦合甘油预处理秸秆的组分分离新方法。即用水充分浸润洗涤出汽爆秸秆的半纤维素多糖后，加入甘油搅匀后进行微波处理；处理完 毕稍冷却后，加入热水搅拌保温溶解木质素；然后用温水洗涤过滤，即实现了秸 秆的预处理和三组分的分级分离；本发明在解决了乙醇等低沸点有机溶剂预处理 带来的设备成本高、爆炸性危险等产业化问题的同时，规避了传统酸碱预处理时 出现的环境污染。本发明预处理周期短，原料及设备成本均不高，经济效能性高， 几乎无废水排放，甘油和水都可以循环利用。 本发明的技术方案如下本发明提供的对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的方法，其步骤 如下l)将植物秸秆进行蒸汽爆破预处理后，加入40-60"C温水润涨洗涤，洗涤液静 置沉淀获得半纤维素； 2) 将水洗后的汽爆秸秆脱水至含水量为3-5ml/g，之后加入甘油混匀后，进行 间歇性微波处理；处理完毕，加入热水保温搅拌溶解30-90min;用40-6(TC水洗涤 过滤3-5次，滤饼为粗纤维；所述甘油的加入量为每克植物秸秆干料加入5-7ml的甘油；3) 滤液经过静置沉淀获得木质素。所述步骤2)之后，还包括通过对滤液减压浓縮，回收甘油循环使用。 所述植物秸秆的汽爆条件为植物秸秆的含水量10-35%, 1.0-1.5MPa的蒸汽 压力下蒸汽爆破预处理2-10min。步骤1)中的热水洗涤次数为3-5次，洗涤液调pH=5.5-6.0，静置12-20h沉淀出半纤维素。所述步骤2)中的间歇性微波处理时间为4-10min，其微波功率为400-800W; 处理完毕的加入热水保温搅拌溶解30-90min的步骤为处理完毕自然冷却至 100-120。C时，加入7-15倍90-120。C热水保温搅拌溶解30-90min。步骤3)获得木质素的步骤为滤液经静置12-20h沉淀得木质素。所述植物秸秆为麦草、玉米或稻草秸秆。本发明的对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的方法，具有如下特 点本发明利用甘油作为高沸有机溶剂，由汽爆耦合微波对秸秆进行预处理，实 现了对秸秆的清洁预处理和组分的有效分级分离，为秸秆的生态全利用和分级高 值化利用奠定了很好的基础；经过本发明的组分分离方法，可从中获得秸秆干重 52-70%的粗纤维，分离到的半纤维素和木质素分别占它们在秸秆中原含量的 67-80%和70-85%。该方法安全、高效，环境友好，设备要求不高，易推广应用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。实施例1:将100g干稻草秆在1.0MPa的水蒸汽下处理2分钟后，连同水蒸汽 从汽爆罐中急速放出而发生急剧爆破；得蒸汽爆破汽爆秸秆料；将该汽爆稻草秆 料加入4(TC水充分润涨4h;充分润涨完毕后洗涤3次，洗涤液调pH5.5-6.0，静置 沉淀12h，获得稻草秸秆中含量67%的半纤维素，风干保存；洗涤后的汽爆稻草秸 秆含水量为300ml，加入500ml甘油搅拌均匀后，于输出功率400W下微波处理4min 后自然降温至14(TC时再微波2min，然后再自然冷却降温至12(TC时再微波2min， 如此反复处理达10min后，停止微波降温至120-13(TC时，加入0.7L、 IO(TC热水 搅拌保温溶解30min;用4(TC自来水洗涤过滤3次，得到粗纤维素干重71.32g。过滤液经静置，可 沉淀出占稻草秸秆中木质素含量70%的木质素，风干保存。上清液减压浓縮，可 回收能再循环使用的原投入量的85%甘油。部分湿滤饼按固液比1:6加入pH4.8磷酸缓冲液以及以30-40FPU/g干重底物 加入纤维素酶摇匀后，在50'C， 180-220rpm振荡酶解48h。酶解完毕，稀释测定 还原糖量，通过酶解率比较秸秆经预处理后的酶可击性和微生物可发酵性，从而 衡量预处理效果。酶解24h，酶解率达到67.3%，酶解48h达到87.4%。(酶解率 Q/(^还原糖(g)X100/底物干重(g))实施例2:将100g干麦草秸秆在1.3MPa的水蒸汽下处理10分钟后，连同水 蒸汽从汽爆罐中急速放出而发生急剧爆破，得汽爆麦草料。将该汽爆麦草秸秆料 加入6(TC水充分润涨6h;充分润涨完毕后洗涤5次，洗涤液调pH5.5-6.0，静置沉 淀20h，获得占麦草秸秆中半纤维素原含量80%的半纤维素，风干保存；洗涤后的 汽爆麦草秸秆含水量为500ml，加入700ml甘油搅拌均匀后，于输出功率800W下 微波处理3min后自然降温至14(TC时再微波lmin (温度可达220以上)，然后再 自然冷却降温至120。C时加入1.5L、 IOO'C左右热水搅拌保温溶解卯min;用6(TC自来水洗涤过滤5次，得到粗纤维干重52.37g。过滤液经静置，可沉 淀出麦草秸秆中原含量85%的木质素，风干保存。上清液减压浓縮，可回收75% 的甘油以再循环使用。部分湿滤饼同实施例1酶解方式进行酶解。酶解24h，酶解率达到78.3%，酶 解48h达到96.7X。实施例3:将100g干玉米秆在1.5MPa的水蒸汽下处理5分钟后发生爆破，得 汽爆玉米秸秆料；将该汽爆玉米秸秆料加入5(TC水充分润涨6h;充分润涨完毕后 洗漆5次，洗涤液调pH5.5-6.0，静置沉淀20h，获得占玉米秸秆原含量74%的半纤 维素，风干保存；洗涤后的汽爆玉米秸秆含水量为420ml，加入600ml甘油搅拌均 匀后，于输出功率800W下微波处理3min后自然降温至14(TC时再微波lmin (温
度可达220-260°C)，然后再自然冷却降温至12(TC时在微波lmin，在冷却。如此 反复微波处理6min。微波完毕降温后，加入1L、 IO(TC左右热水搅拌保温溶解 60miru用6(TC自来水洗涤过滤5次，得到粗纤维干重61.32g。过滤液经静置，沉淀 出占秸秆中原含量80%的木质素，风干保存。上清液减压浓縮，回收到原投入量 80%的甘油，以便再循环利用。部分湿滤饼同实施例1和2的酶解方法，酶解24h，酶解率达到72.3%，酶解 48h达到92.4X。
权利要求
1、一种对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的方法，其步骤如下1)将植物秸秆进行蒸汽爆破预处理后，加入40-60℃温水润涨洗涤，洗涤液静置沉淀获得半纤维素；2)将水洗后的汽爆秸秆脱水至含水量为3-5ml/g，之后加入甘油混匀后，进行间歇性微波处理；处理完毕，加入热水保温搅拌溶解30-90min；用40-60℃水洗涤过滤3-5次，滤饼为粗纤维；所述甘油的加入量为每克植物秸秆干料加入5-7ml的甘油；3)滤液经过静置沉淀获得木质素。
2、 按权利要求1所述的对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的 方法，其特征在于，所述步骤2)之后，还包括通过对滤液减压浓縮，回收甘油循 环使用。
3、 按权利要求1所述的对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的 方法，其特征在于，所述植物秸秆的汽爆条件为植物秸秆的含水量10-35%， 1.0-1.5MPa的蒸汽压力下蒸汽爆破预处理2-10min。
4、 按权利要求1所述的对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的 方法，其特征在于，步骤l)中的热水洗涤次数为3-5次，洗涤液调pH二5.5-6.0， 静置12-20h沉淀出半纤维素。
5、 按权利要求1所述的对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的 方法，其特征在于，所述步骤2)中的间歇性微波处理时间为4-10min，其微波功 率为400-800W;处理完毕的加入热水保温搅拌溶解30-卯min的步骤为处理完毕 自然冷却至100-12(TC时，加入7-15倍90-120。C热水保温搅拌溶解30-90min。
6、 按权利要求1所述的对植物秸秆进行汽,微波耦合处理分离秸秆组分的方法， 其特征在于，步骤3)获得木质素的步骤为滤液经静置12-20h沉淀得木质素。
7、 按权利要求l、 2、 3、 4、 5或中任一项所述的对植物秸秆进行汽务^C波耦合 处理分离秸秆组分的方法，其特征在于，所述植物秸秆为麦草、玉米或稻草秸秆。
全文摘要
本发明涉及的对植物秸秆进行汽爆-微波耦合处理分离秸秆组分的方法，步骤如下将植物秸秆进行蒸汽爆破预处理后，加40-60℃温水润涨洗涤，洗涤液静置沉淀获得半纤维素；将水洗后的汽爆秸秆脱水至含水量为3-5ml/g，再加甘油混匀后，进行间歇性微波处理；处理完毕，加热水保温搅拌溶解30-90min；用40-60℃水洗涤过滤3-5次，滤饼为粗纤维；甘油加入量为每克植物秸秆干料加5-7ml甘油；滤液经过静置沉淀获得木质素；粗纤维素得率为秸秆干重的52-70％，半纤维素和木质素得率分别为秸秆原含量的67-80％和70-85％；甘油可回收以循环利用；该方法安全、高效，环境友好，设备要求不高，易推广应用。
文档编号D21B1/00GK101148830SQ20061011321
公开日2008年3月26日 申请日期2006年9月19日 优先权日2006年9月19日
发明者孙付保, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所