一种微波辅助预处理玉米秸秆的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纤维素乙醇技术领域，具体涉及一种微波辅助预处理玉米秸杆的方法。
【背景技术】
[0002]液体燃料方便运输和便于利用，已成为重要的工业和日常能量来源。其中，石油是目前全球使用最多的液体燃料，但是，石油资源不可再生且CO2和其他污染气体的排放会导致环境的恶化。发展可再生的清洁能源成为我国的能源发展战略的重中之重。乙醇作为可替代的清洁液体能源受到广泛的关注和重视，传统生产乙醇的方法是以粮食为原料，采用酵母直接发酵的方法产生乙醇，但此种方法需要消耗大量的粮食，面临“与人争地，与人争粮”的问题。人们逐渐将目光投向农业废弃物，如玉米秸杆，高粱秸杆，小麦秸杆等，因农业废弃物也是碳水化合物，并且每年产量巨大，只玉米秸杆，高粱秸杆，小麦秸杆等便有7亿吨每年，这些废弃物得不到有效利用便会被农民烧掉，不仅浪费能源而且污染环境。利用农业废弃物即木质纤维素经过预处理后经过酶解得到的葡萄糖和木糖可以被酵母菌所利用产生纤维素乙醇，采用这种方法即保护了环境，有效利用了资源，又得到了清洁能源，是非常有前途的能源利用方式。
[0003]但目前，制约木质纤维素利用的瓶颈是由于高昂的预处理成本，木质纤维素的利用首先要破坏掉植物细胞壁的稳定结构，去除木质素，降低结晶度，增加底物与酶的接触面积，从而提高纤维素的酶解效率。
[0004]现有的预处理手段包括:物理方法，化学方法，物理化学-方法和生物方法。物理方法，主要包括机械粉碎法、蒸汽爆破、超临界水处理和湿氧法；化学方法，主要包括碱处理、稀酸处理、浓酸处理、氧化剂处理以及有机溶剂处理；生物方法采用真菌对木质纤维素进行处理。
[0005]在这些预处理方法中，碱法能够打开木质素和半纤维素之间的醚键，去除木质素，较大程度保留纤维素和半纤维素。现有技术中常用的碱性物质有氨水、液氨、氢氧化钠、生石灰等。但是，采用氢氧化钠或生石灰虽然可以在常压下进行，但是预处理后需要大量水进行洗涤，除去碱性试剂，且碱性试剂的排放会污染环境；而以氨水或液氨进行预处理时需要采用高压设备进行，条件苛刻。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微波辅助预处理玉米秸杆的方法，本发明的预处理方法无需采用高压设备，对反应设备要求低。
[0007]本发明提供了一种微波辅助预处理玉米秸杆的方法，包括以下步骤:
[0008]将玉米秸杆与乙二胺溶液混合，在密闭条件下，依次经过微波处理和热处理，得到预处理的玉米秸杆。
[0009]优选的，所述乙二胺溶液的质量体积分数为1%?40%。
[0010]优选的，所述玉米秸杆的干物质与乙二胺溶液的质量体积比为Ig: (2?40)mL。
[0011]优选的，所述微波处理的功率为500?800W，微波处理的时间为3?lOmin，微波处理的温度为120?200 °C。
[0012]优选的，所述热处理的温度为120?200°C，热处理的时间为10?60min。
[0013]优选的，在所述微波处理前，还包括预热处理。
[0014]优选的，所述预热处理的温度为50?110°C。
[0015]优选的，在所述热处理后，还包括将玉米秸杆依次经过过滤、水洗和干燥。
[0016]与现有技术相比，本发明将玉米秸杆与乙二胺溶液混合，在密闭条件下，依次经过微波处理和热处理，得到预处理的玉米秸杆。该方法应用微波辅助乙二胺溶液对玉米秸杆进行预处理，能够有效降解木质素，降低纤维素结晶度，提高玉米秸杆中纤维素和半纤维素的酶解效率。本发明操作简单，无需采用高压设备，对设备要求低，能耗低，适合工业化生产。
[0017]结果表明，玉米秸杆经预处理酶解后的葡萄糖的得率为50?90%。
【具体实施方式】
[0018]本发明提供了一种微波辅助预处理玉米秸杆的方法，包括以下步骤:
[0019]将玉米秸杆与乙二胺溶液混合，在密闭条件下，依次经过微波处理和热处理，得到预处理的玉米秸杆。
[0020]本发明优选以经过破碎的玉米秸杆为原料。其中，本发明对所述玉米秸杆的破碎程度并没有特殊限制。将上述玉米秸杆与乙二胺溶液置于反应器中混合，得到混合物。所述反应器为密闭的反应器，以防止后续微波处理以及热处理过程中乙二胺的蒸发损失。
[0021]其中，所述乙二胺溶液的质量体积分数为1%?40%，在本发明的一些实施例中，所述乙二胺的溶液的质量体积分数为I %，在本发明的另一些实施例中，所述乙二胺的溶液的质量体积分数为20 %，在本发明的另一些实施例中，所述乙二胺的溶液的质量体积分数为 40%。
[0022]所述玉米秸杆的干物质与乙二胺溶液的质量体积比为Ig: (2?40)mL，优选为Ig: (5 ?10)mLo
[0023]所述玉米秸杆与乙二胺溶液混合均匀后，将所述反应器密封，进行微波处理。在本发明中，优选采用微波发生器对所述反应器进行微波和加热。其中，所述微波处理的功率为500?800W，优选为600?750W ;微波处理的时间为3?lOmin，优选为5?8min ;微波处理的温度为120?200°C，优选为150?180°C。在本发明中，所述微波处理的温度即为玉米秸杆预处理的反应温度。
[0024]将玉米秸杆与乙二胺溶液混合后、进行微波处理之前，优选将所述混合物进行预热处理，所述预热处理的温度应小于微波处理玉米秸杆的温度，且在所述预热处理温度的基础上、在微波处理的时间内能够达到所述微波处理玉米秸杆的温度。在本发明中，所述预热处理的温度为50?110°C，优选为70?100°C。
[0025]微波处理结束后，对混合物进行热处理，具体的，本发明所述的热处理为维持所述玉米秸杆预处理的反应温度一段时间，所述热处理的温度为120?200°C，优选为150?1800C ;所述热处理的时间为10?60min，优选为30?50min。
[0026]将经过热处理的混合物冷却，取出混合物，将混合物过滤，得到玉米秸杆以及反应料液。将上述玉米秸杆进行水洗、干燥，得到预处理的玉米秸杆。
[0027]本发明将玉米秸杆与乙二胺溶液混合，在密闭条件下，依次经过微波处理和热处理，得到预处理的玉米秸杆。乙二胺具有较强的碱性，能够打开木质素和半纤维素之间的醚键，降解木质素，较大程度保留纤维素和半纤维素，微波可以降低纤维素的结晶度，使预处理后的玉米秸杆的酶解效率提高。该方法应用微波辅助乙二胺溶液对玉米秸杆进行预处理，能够有效降解木质素，降低纤维素结晶度，提高玉米秸杆中纤维素和半纤维素的酶解效率。本发明操作简单，无需采用高压设备，对设备要求低，能耗低，适合工业化生产。
[0028]结果表明，玉米秸杆经预处理酶解后的葡萄糖的得率为50?90%。
[0029]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的微波辅助预处理玉米秸杆的方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
[0030]实施例1
[0031]称取经破碎的干物质含量为5g的玉米秸杆放入250mL带密封盖的反应器内，加入200mL质量体积浓度为I %的乙二胺溶液，搅拌均匀，旋紧密封盖，预热到50°C。利用微波发生器对反应器进行微波和加热，微波功率为500W，处理3min，反应温度为120°C，维持上述反应温度，反应lOmin，冷却反应器，取出固液混合物用纱布过滤，固体用400mL水洗，过滤，干燥得到预处理后的玉米秸杆。
[0032]经预处理的玉米秸杆经糖化分析，葡萄糖得率为50%。
[0033]实施例2
[0034]称取经破碎的干物质含量为5g的玉米秸杆放入250mL带密封盖的反应器内，加入25mL质量体积浓度为40%的乙二胺溶液，搅拌均匀，旋紧密封盖，无需预热。利用微波发生器对反应器进行微波和加热，微波功率为800W，处理lOmin，反应温度为200°C，维持上述反应温度，反应60min，冷却反应器，取出固液混合物用纱布过滤，固体用400mL水洗，过滤，干燥得到预处理后的玉米秸杆。
[0035]经预处理的玉米秸杆经糖化分析，葡萄糖得率为90%。
[0036]实施例3
[0037]称取经破碎的干物质含量为5g的玉米秸杆放入250mL带密封盖的反应器内，加入50mL质量体积浓度为20%的乙二胺溶液，搅拌均匀，旋紧密封盖，无需预热。利用微波发生器对反应器进行微波和加热，微波功率为750W，处理8min，反应温度为180°C，维持上述反应温度，反应30min，冷却反应器，取出固液混合物用纱布过滤，固体用400mL水洗，过滤，干燥得到预处理后的玉米秸杆。
[0038]经预处理的玉米秸杆经糖化分析，葡萄糖得率为85%。
[0039]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种微波辅助预处理玉米秸杆的方法，其特征在于，包括以下步骤: 将玉米秸杆与乙二胺溶液混合，在密闭条件下，依次经过微波处理和热处理，得到预处理的玉米秸杆。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述乙二胺溶液的质量体积分数为1%?40%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玉米秸杆的干物质与乙二胺溶液的质量体积比为Ig: (2?40)mL。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波处理的功率为500?800W，微波处理的时间为3?lOmin，微波处理的温度为120?200°C。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度为120?200°C，热处理的时间为10?60min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述微波处理前，还包括预热处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预热处理的温度为50?110°C。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述热处理后，还包括将玉米秸杆依次经过过滤、水洗和干燥。
【专利摘要】本发明将玉米秸秆与乙二胺溶液混合，在密闭条件下，依次经过微波处理和热处理，得到预处理的玉米秸秆。该方法应用微波辅助乙二胺溶液对玉米秸秆进行预处理，能够有效降解木质素，降低纤维素结晶度，提高玉米秸秆中纤维素和半纤维素的酶解效率。本发明操作简单，无需采用高压设备，对设备要求低，能耗低，适合工业化生产。
【IPC分类】C12P7-10, C12P19-02
【公开号】CN104561130
【申请号】CN201510020718
【发明人】元英进, 李文超, 秦磊, 朱家庆, 李炳志
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月16日