一种水浮莲的综合利用方法与流程

文档序号:15457477发布日期:2018-09-15 01:30

本发明涉及入侵植物的治理及生物质能源的开发领域,具体的说是一种水浮莲的综合利用方法。



背景技术:

水浮莲也叫水浮莲、凤眠莲、水荷花等,属于雨久花科、凤眼莲属,是一种野生的喜温纤维水上植物。水浮莲有较强大的生命力,其种源随波逐流而繁殖,四处飘浮,在我国南方的江、河、湖、泊凡是有水源的地方都已然到了泛滥成灾、需要政府投入大量资金来清理的 境地:由于其根部发达、成片生长,茂盛严实地覆盖着水面,使水体的透光度变小,降低水溶解氧的含量,抑制了水体藻类和影响鱼虾类水体生物的正常繁殖和生长,破坏水体植物和动物的正常生态平衡,它不但堵塞水道,影响正常的排洪和航行,而且枯萎后在水体中自然腐烂发臭,使水质变坏,给病毒、病菌提供繁殖场所,四处飘流传播病害,严重影响了环境与生态平衡。

目前水浮莲的处理加工方法大都为粉碎压榨法,压榨后的水浮莲渣作为有机肥原料使用,而将水浮莲汁作为废弃液不经处理就直接排放掉,水浮莲汁里面含有丰富的氮磷钾等营养成分,这样既浪费了资源,又造成了二次污染,如果将水浮莲汁送到污水处理厂处理,又加大了治理成本。因此,急需一种能多重利用水浮莲的特性、实现其价值且避免环境污染的综合利用方法。



技术实现要素:

本发明的目的是为了解决上述技术问题的不足,本发明提出一种水浮莲的综合利用方法,形成了完整的水浮莲生物质的综合应用体系,为水浮莲的治理和综合利用奠定了基础。

本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是:一种水浮莲的综合利用方法,包括生物制剂的制备过程、生物燃料的制备过程、食品级二氧化碳的收集过程和生物油的制备过程,具体步骤如下:

(1)采集新鲜水浮莲茎叶,清洗干净,并按水浮莲茎叶与水为1∶8~12的重量比称取原料,放入玻璃容器中混合均匀后备用;

(2)将玻璃容器放入微波加热装置中进行水浮莲茎叶生物活性物质的提取和分离,同时对水浮莲茎叶中的木质纤维素进行预处理,去除木质纤维素中的酸不溶灰分,便于后续木质纤维素的酶解和发酵;其中微波功率为280~300 W,加热温度为45~50℃,提取时间为8~10 min;

(3)提取完毕后将提取液与残渣进行分离,将提取液放入真空蒸发罐中进行减压浓缩,并将浓缩液制备为生物制剂,减压浓缩的温度为20℃~30℃,压力为-0.08~0.1MPa;

(4)水浮莲茎叶残渣中富含纤维素生物质,通过采用酵母菌发酵工艺制备生物燃料乙醇,同时收集发酵过程中产生的二氧化碳,制备食品级二氧化碳;其中发酵过程中:每克残渣中加入的纤维素酶的重量为38~42IU,酵母的接种量为残渣总量的3~3.5%,发酵温度为35~38℃,发酵时间为68~72h,乙醇产率为10~10.5%;

(5)经酵母菌发酵后的水浮莲残渣的剩余主要成分是木质素,在高温高压下热裂解制备生物油,温度为350~400℃,压强为8~12MPa,木质素的转化率为70~75%,生物油的产率为68~70%。

作为优选方案,将称取的水浮莲茎叶、水的混合物放入破碎机中粉碎为浓稠的悬浮状混合物,然后再进行微波辅助提取和分离。

作为优选方案,所述步骤(2)中,所述微波加热装置为真空微波加热装置,设置真空度为0.06~0.08MPa。

作为优选方案,所述步骤(3)中制备的生物制剂为油脂抗氧化剂和微生物抑菌剂。

作为优选方案,所述步骤(4)中,所用酵母菌为酿酒酵母和毕赤酵母,且酿酒酵母:毕赤酵母的质量比为1:1~1.5。

作为优选方案,所述步骤(4)中,对收集的发酵过程中产生的二氧化碳进行杀菌和压缩处理后,制得食品级二氧化碳。

作为优选方案,所述步骤(5)的热裂解过程中加入催化剂甲酸钠,用量为反应体系总量的0.5~8%。

作为优选方案,所述步骤(5)中制得的生物油包括苯酚、愈创木酚和紫丁香基芳香族化合物中的一种或多种,其中愈创木酚和2,6-二甲氧基苯酚的质量分数为45~50%。

本发明的有益效果是:

(1)本发明的综合利用方法是先用微波辅助热水提取水浮莲茎叶中生物活性物质,然后对提取液进行减压浓缩,并形成浓缩液作为天然抗氧剂或生物抑菌剂;再对提取生物活性物质后的富含半纤维素和纤维素的残渣进行同步糖化共发酵,形成生物燃料乙醇,发酵过程中产生的二氧化碳收集起来作为食品级二氧化碳,而经酵母菌发酵后的水浮莲残渣的主要成分是木质素,采用高温热裂解的方法可以得到生物油;

(2)在水浮莲的综合利用过程中,微波预处理起到了很大的作用,一是能有效去除木质纤维素中的酸不溶灰分,主要是二氧化硅,这有助于后续的酶解和发酵,因为酸不溶性组分中的硅有相当部分沉积在叶片表面,形成“角质-双硅层”结构,起到了如同木质素一样的保护作用,这也是木质纤维素降解的另一个物理屏障,而在微波辐照下,水分子快速剧烈的振动以及不均一的温度能为破坏刚性结构提供有利环境;二是采用微波辅助热水萃取的方法提取水浮莲中的活性物质,在提取的同时,没有添加外来的化学试剂,因而有效防止了后续的乙醇发酵抑制物的生成,同时也完成了木质纤维素的预处理,为后续的乙醇发酵奠定基础,后续的同步糖化共发酵就不用再进行预处理了,具有一石二鸟的效果;

综上可知,本发明综合利用水浮莲的方法,与现有的利用手段相比较,更为系统、完整和环保节能,既不浪费每一道工序的作用,又完成了对水浮莲的深度加工,可获得多种不同的加工产品,用于生物、化工、食品等多个领域,该方法形成了完整的水浮莲生物质的综合应用体系,为水浮莲的治理和综合利用奠定了基础。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。

其具体的实施方式为:

一种水浮莲的综合利用方法,包括生物制剂的制备过程、生物燃料的制备过程、食品级二氧化碳的收集过程和生物油的制备过程,具体步骤如下:

(1)采集新鲜水浮莲茎叶,清洗干净,并按水浮莲茎叶与水为1∶8~12的重量比称取原料,放入玻璃容器中混合均匀后备用;

(2)将玻璃容器放入微波加热装置中进行水浮莲茎叶生物活性物质的提取和分离,同时对水浮莲茎叶中的木质纤维素进行预处理,去除木质纤维素中的酸不溶灰分,主要是二氧化硅,便于后续木质纤维素的酶解和发酵;其中微波功率为280~300 W,加热温度为45~50℃,提取时间为8~10 min;因为酸不溶性组分中的硅有相当部分沉积在叶片表面,形成“角质-双硅层”结构,起到了如同木质素一样的保护作用,这也是木质纤维素降解的另一个物理屏障,而在微波辐照下,水分子快速剧烈的振动以及不均一的温度能为破坏刚性结构提供有利环境;

(3)提取完毕后将提取液与残渣进行分离,将提取液放入真空蒸发罐中进行减压浓缩,并将浓缩液制备为生物制剂,减压浓缩的温度为20℃~30℃,压力为-0.08~0.1MPa;

(4)水浮莲茎叶残渣中富含纤维素生物质,通过采用酵母菌发酵工艺制备生物燃料乙醇,同时收集发酵过程中产生的二氧化碳,制备食品级二氧化碳;其中发酵过程中:每克残渣中加入的纤维素酶的重量为38~42IU,酵母的接种量为残渣总量的3~3.5%,发酵温度为35~38℃,发酵时间为68~72h,乙醇产率为10~10.5%;在采用微波辅助方式进行生物活性物质提取时,也完成了木质纤维素的预处理,且没有添加外来的化学试剂,因而可有效防止该步骤生物燃料乙醇制备过程中乙醇发酵抑制物的生成,为乙醇发酵奠定基础,同步糖化共发酵就不用再进行预处理了,还提高了乙醇的产率,具有一石二鸟的效果;

(5)经酵母菌发酵后的水浮莲残渣的剩余主要成分是木质素,在高温高压下热裂解制备生物油,温度为350~400℃,压强为8~12MPa,木质素的转化率为70~75%,生物油的产率为68~70%。

作为优选方案,将称取的水浮莲茎叶、水的混合物放入破碎机中粉碎为浓稠的悬浮状混合物,然后再进行微波辅助提取和分离,将其破碎可以将原料粉碎成小颗粒,一方面在水中混合的更为均匀,另一方面能增大原料与微波的辐射面积,提高提取和分离效率。

作为优选方案,所述步骤(2)中,所述微波加热装置为真空微波加热装置,设置真空度为0.06~0.08MPa。

作为优选方案,所述步骤(3)中制备的生物制剂为油脂抗氧化剂和微生物抑菌剂。

作为优选方案,所述步骤(4)中,所用酵母菌为酿酒酵母和毕赤酵母,且酿酒酵母:毕赤酵母的质量比为1:1~1.5。

作为优选方案,所述步骤(4)中,对收集的发酵过程中产生的二氧化碳进行杀菌和压缩处理后,制得食品级二氧化碳。

作为优选方案,所述步骤(5)的热裂解过程中加入催化剂甲酸钠,用量为反应体系总量的0.5~8%。

作为优选方案,所述步骤(5)中制得的生物油包括苯酚、愈创木酚和紫丁香基芳香族化合物中的一种或多种,其中愈创木酚和2,6-二甲氧基苯酚的质量分数为45~50%。

实施例1

一种水浮莲的综合利用方法,包括生物制剂的制备过程、生物燃料的制备过程、食品级二氧化碳的收集过程和生物油的制备过程,具体步骤如下:

(1)采集新鲜水浮莲茎叶,清洗干净,并按水浮莲茎叶与水为1∶8的重量比称取原料,放入玻璃容器中混合均匀后备用;

(2)将玻璃容器放入微波加热装置中进行水浮莲茎叶生物活性物质的提取和分离,同时对水浮莲茎叶中的木质纤维素进行预处理,去除木质纤维素中的酸不溶灰分,便于后续木质纤维素的酶解和发酵;其中微波功率为280 W,加热温度为45℃,提取时间为8min;

(3)提取完毕后将提取液与残渣进行分离,将提取液放入真空蒸发罐中进行减压浓缩,并将浓缩液制备为生物制剂,减压浓缩的温度为20℃,压力为-0.08MPa;

(4)水浮莲茎叶残渣中富含纤维素生物质,通过采用酵母菌发酵工艺制备生物燃料乙醇,同时收集发酵过程中产生的二氧化碳,制备食品级二氧化碳;其中发酵过程中:每克残渣中加入的纤维素酶的重量为38IU,酵母的接种量为残渣总量的3%,发酵温度为35℃,发酵时间为68h,乙醇产率为10%;

(5)经酵母菌发酵后的水浮莲残渣的剩余主要成分是木质素,在高温高压下热裂解制备生物油,温度为350℃,压强为8MPa,木质素的转化率为70%,生物油的产率为68%。

作为优选方案,将称取的水浮莲茎叶、水的混合物放入破碎机中粉碎为浓稠的悬浮状混合物,然后再进行微波辅助提取和分离。

作为优选方案,所述步骤(2)中,所述微波加热装置为真空微波加热装置,设置真空度为0.06MPa。

作为优选方案,所述步骤(3)中制备的生物制剂为油脂抗氧化剂和微生物抑菌剂。

作为优选方案,所述步骤(4)中,所用酵母菌为酿酒酵母和毕赤酵母,且酿酒酵母:毕赤酵母的质量比为1:1。

作为优选方案,所述步骤(4)中,对收集的发酵过程中产生的二氧化碳进行杀菌和压缩处理后,制得食品级二氧化碳。

作为优选方案,所述步骤(5)的热裂解过程中加入催化剂甲酸钠,用量为反应体系总量的0.5%。

作为优选方案,所述步骤(5)中制得的生物油包括苯酚、愈创木酚和紫丁香基芳香族化合物中的一种或多种,其中愈创木酚和2,6-二甲氧基苯酚的质量分数为45%。

实施例2

一种水浮莲的综合利用方法,包括生物制剂的制备过程、生物燃料的制备过程、食品级二氧化碳的收集过程和生物油的制备过程,具体步骤如下:

(1)采集新鲜水浮莲茎叶,清洗干净,并按水浮莲茎叶与水为1∶10的重量比称取原料,放入玻璃容器中混合均匀后备用;

(2)将玻璃容器放入微波加热装置中进行水浮莲茎叶生物活性物质的提取和分离,同时对水浮莲茎叶中的木质纤维素进行预处理,去除木质纤维素中的酸不溶灰分,便于后续木质纤维素的酶解和发酵;其中微波功率为290 W,加热温度为48℃,提取时间为9min;

(3)提取完毕后将提取液与残渣进行分离,将提取液放入真空蒸发罐中进行减压浓缩,并将浓缩液制备为生物制剂,减压浓缩的温度为25℃,压力为-0.09MPa;

(4)水浮莲茎叶残渣中富含纤维素生物质,通过采用酵母菌发酵工艺制备生物燃料乙醇,同时收集发酵过程中产生的二氧化碳,制备食品级二氧化碳;其中发酵过程中:每克残渣中加入的纤维素酶的重量为40IU,酵母的接种量为残渣总量的3.2%,发酵温度为37℃,发酵时间为70h,乙醇产率为10.2%;

(5)经酵母菌发酵后的水浮莲残渣的剩余主要成分是木质素,在高温高压下热裂解制备生物油,温度为380℃,压强为10MPa,木质素的转化率为72%,生物油的产率为69%。

作为优选方案,将称取的水浮莲茎叶、水的混合物放入破碎机中粉碎为浓稠的悬浮状混合物,然后再进行微波辅助提取和分离。

作为优选方案,所述步骤(2)中,所述微波加热装置为真空微波加热装置,设置真空度为0.07MPa。

作为优选方案,所述步骤(3)中制备的生物制剂为油脂抗氧化剂和微生物抑菌剂。

作为优选方案,所述步骤(4)中,所用酵母菌为酿酒酵母和毕赤酵母,且酿酒酵母:毕赤酵母的质量比为1:1.2。

作为优选方案,所述步骤(4)中,对收集的发酵过程中产生的二氧化碳进行杀菌和压缩处理后,制得食品级二氧化碳。

作为优选方案,所述步骤(5)的热裂解过程中加入催化剂甲酸钠,用量为反应体系总量的4%。

作为优选方案,所述步骤(5)中制得的生物油包括苯酚、愈创木酚和紫丁香基芳香族化合物中的一种或多种,其中愈创木酚和2,6-二甲氧基苯酚的质量分数为48%。

实施例3

一种水浮莲的综合利用方法,包括生物制剂的制备过程、生物燃料的制备过程、食品级二氧化碳的收集过程和生物油的制备过程,具体步骤如下:

(1)采集新鲜水浮莲茎叶,清洗干净,并按水浮莲茎叶与水为1∶12的重量比称取原料,放入玻璃容器中混合均匀后备用;

(2)将玻璃容器放入微波加热装置中进行水浮莲茎叶生物活性物质的提取和分离,同时对水浮莲茎叶中的木质纤维素进行预处理,去除木质纤维素中的酸不溶灰分,便于后续木质纤维素的酶解和发酵;其中微波功率为300 W,加热温度为50℃,提取时间为10 min;

(3)提取完毕后将提取液与残渣进行分离,将提取液放入真空蒸发罐中进行减压浓缩,并将浓缩液制备为生物制剂,减压浓缩的温度为30℃,压力为0.1MPa;

(4)水浮莲茎叶残渣中富含纤维素生物质,通过采用酵母菌发酵工艺制备生物燃料乙醇,同时收集发酵过程中产生的二氧化碳,制备食品级二氧化碳;其中发酵过程中:每克残渣中加入的纤维素酶的重量为42IU,酵母的接种量为残渣总量的3.5%,发酵温度为38℃,发酵时间为72h,乙醇产率为10.5%;

(5)经酵母菌发酵后的水浮莲残渣的剩余主要成分是木质素,在高温高压下热裂解制备生物油,温度为400℃,压强为12MPa,木质素的转化率为75%,生物油的产率为70%。

作为优选方案,将称取的水浮莲茎叶、水的混合物放入破碎机中粉碎为浓稠的悬浮状混合物,然后再进行微波辅助提取和分离。

作为优选方案,所述步骤(2)中,所述微波加热装置为真空微波加热装置,设置真空度为0.08MPa。

作为优选方案,所述步骤(3)中制备的生物制剂为油脂抗氧化剂和微生物抑菌剂。

作为优选方案,所述步骤(4)中,所用酵母菌为酿酒酵母和毕赤酵母,且酿酒酵母:毕赤酵母的质量比为1: 1.5。

作为优选方案,所述步骤(4)中,对收集的发酵过程中产生的二氧化碳进行杀菌和压缩处理后,制得食品级二氧化碳。

作为优选方案,所述步骤(5)的热裂解过程中加入催化剂甲酸钠,用量为反应体系总量的8%。

作为优选方案,所述步骤(5)中制得的生物油包括苯酚、愈创木酚和紫丁香基芳香族化合物中的一种或多种,其中愈创木酚和2,6-二甲氧基苯酚的质量分数为50%。

本发明综合利用水浮莲的方法,与现有的利用手段相比较,更为系统和完整,既不浪费每一道工序的作用,又完成了对水浮莲的深度加工,可获得多种不同的加工产品,用于生物、化工、食品等多个领域,该方法形成了完整的水浮莲生物质的综合应用体系,为水浮莲的治理和综合利用奠定了基础。

对所公开的实施例的上述说明,仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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