一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及木质纤维素原料处理技术领域，具体地说，是一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法。
【【背景技术】】
[0002]木质纤维素生物加工生产液体生物燃料或生物基化学品的主要流程包括木质纤维素的前处理、预处理、酶解糖化、发酵生产以及产品分离等工序。预处理过程是指通过物理、化学、物化或生物的方法对木质纤维素的结构进行破坏，从而有效提高木质纤维素中纤维素和半纤维素在后续糖化及发酵过程中的转化效率。因此，预处理过程是木质纤维素生物炼制生产化学品的最关键技术之一。
[0003]稀酸预处理是目前世界上最主流的预处理方法之一。具体来说，稀酸预处理过程包括对木质纤维素原料的清洗、粉碎、干燥等前处理，然后需要用稀酸溶液浸泡木质纤维素原料长达数天乃至更久，接着将充分浸泡后的木质纤维素原料加入预处理反应器中进行预处理。在这个过程中，使用稀酸溶液对木质纤维素进行浸泡的过程称为预浸。在预浸过程中，稀酸溶液作为催化剂，通过对木质纤维素的长时间浸润，以增强其在木质纤维素原料微孔结构中的渗透作用和分布的均匀性，从而在后续的高温高压处理过程中，使固体木质纤维素原料、酸液、蒸汽之间的传质、传热效果更好，有效避免局部过热或过酸所导致的抑制物的大量生成，最终达到良好的预处理效果。但是，耗时耗力的预浸过程却成为预处理产业化过程中的障碍。因为在工业化尺度的预处理过程中，预浸操作需要额外的预浸反应器，而且长时间的预浸过程与瞬时的高温预处理过程(5-10分钟)格格不入。因此长时间的预浸操作大大增加了预处理过程的操作复杂度、固定投资成本，从而大幅增加了木质纤维素原料预处理加工成本。
[0004]综上所述，在预处理过程中去除预浸过程，既可以提高生物炼制过程的效率，又可以有效降低生物炼制的成本，对木质纤维素预处理过程的工业化起到推进作用。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0007]—种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其具体步骤为:
[0008](I)将木质纤维素原料进行除尘、粉碎；
[0009]所述的木质纤维素原料为玉米秸杆、小麦杆、大麦杆、稻草、麸皮、稻壳、高粱杆、油菜杆、柳枝稷、芦苇、废纸、木屑、麻风树籽壳等富含纤维素和半纤维素的物料的一种或几种的混合物，通过锤式粉碎机将物料粉碎至颗粒长度为0.1-1cm ；
[0010](2)配制酸、碱、盐溶液或有机溶剂；
[0011]所用的溶液或溶剂包括下述溶液中的一项或多项组合:①酸性溶液，包括硫酸、盐酸、乙酸、甲酸、磷酸、亚硫酸、草酸、二氧化硫等；②碱性溶液，包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、液氨、氨水；③中性溶液或盐溶液，包括水、过氧化氢、强酸弱碱盐、强碱弱酸盐、以及中性盐类所配制的溶液；④有机溶剂，包括乙醇、甲醇、丙酮、呋喃类化合物等。
[0012](3)将(I)中粉碎的原料与(2)中所配制的溶液加入安装有搅拌装置的预处理反应器中，实施预处理；
[0013]预处理方法主要为化学方法，包括稀酸预处理、碱法预处理、蒸汽预处理、有机溶剂预处理中的一项或多项；
[0014]反应器的釜体上安装有机械搅拌装置，机械搅拌装置包括外置马达以及搅拌桨，搅拌桨包括框式搅拌桨、螺带式搅拌桨、平叶式搅拌桨、斜叶式搅拌桨、弯叶式搅拌桨、锚式搅拌桨中的一种或几种的组合。
[0015](4)从步骤(3)中得到的预处理物料进行酶解糖化实验或同步糖化发酵加工工序。
[0016]所述的酶水解中采用的酶选自纤维素酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、木质素酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种混合酶；
[0017]发酵加工过程包括利用木质纤维素物料酶水解产物的乙醇发酵、沼气发酵以及所有以糖为平台的生物炼制过程。
[0018]与现有技术相比，本发明的积极效果是:
[0019]与常规的预处理方法相比，无需预浸的预处理过程在保证预处理效果的前提下，简化了预处理过程的操作复杂性，大大缩短了预处理过程的时间，提高了预处理操作效率；同时，节省了预浸反应器等固定设备的投资，大幅降低了木质纤维素的预处理及最终生物炼制生产生物基化学品过程的成本。
【【具体实施方式】】
[0020]以下提供本发明一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法的【具体实施方式】。
[0021]实施例1
[0022]将除尘粉碎后的1400g干秸杆与5%质量分数的700g稀硫酸溶液置于塑料盒中，并充分混合均匀，然后室温预浸30分钟。将混合均匀的稀酸和秸杆加入安装螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件185°C、搅拌转速50转/分钟，温度升至185°C后保留3分钟，从反应器中取出物料，进行酶水解实验，酶水解实验固含量5%、温度50°C、搅拌转速150转/分钟，纤维素酶用量15FPU/g DM,72小时后测定葡萄糖浓度，计算纤维素转化率，该条件下纤维素转化率为82%。
[0023]实施例2
[0024]将除尘粉碎后的1400g干秸杆与5%质量分数的700g稀硫酸溶液置于塑料盒中，并充分混合均匀，混合后室温预浸12小时。将混合均匀的稀酸和秸杆加入安装有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件185°C、搅拌转速50转/分钟，温度升至185°C后保留3分钟，从反应器中取出物料，进行酶水解实验，酶水解实验固含量5%、温度50°C、搅拌转速150转/分钟，纤维素酶用量15FPU/g DM,72小时后测定葡萄糖浓度，计算纤维素转化率，该条件下纤维素转化率为87%。
[0025]实施例3
[0026]将除尘粉碎后的1400g干秸杆与5%质量分数的700g稀硫酸溶液置于塑料盒中，并充分混合均匀，混合后室温预浸24小时。将混合均匀的稀酸和秸杆加入安装有螺带式搅拌桨的预处理反应器中、搅拌转速50转/分钟，进行高温预处理反应，反应条件185°C、温度升至185°C后保留3分钟，从反应器中取出物料，进行酶水解实验，酶水解实验固含量5%、温度50°C、搅拌转速150转/分钟，纤维素酶用量15FPU/g DM,72小时后测定葡萄糖浓度，计算纤维素转化率，该条件下纤维素转化率为84%。
[0027]实施例4
[0028]将除尘粉碎后的1400g干秸杆与5%质量分数的700g稀硫酸溶液直接加入安装有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，搅拌转速设为50转/分钟，搅拌3分钟后，进行高温预处理反应，反应条件185°C、2.5%稀硫酸用量、搅拌转速50转/分钟，温度升至185°C后保留3分钟，从反应器中取出物料，进行酶水解实验，酶水解实验固含量5%、温度50°C、搅拌转速150转/分钟，纤维素酶用量15FPU/g DM, 72小时后测定葡萄糖浓度，计算纤维素转化率，该条件下纤维素转化率为85%。
[0029]本发明所涉及的秸杆的处理方法不限于高温稀酸预处理方法，还可以为碱法预处理方法、有机溶剂预处理方法、蒸汽预处理方法中的一种或几种组合方法。
[0030]本发明所涉及的酶不限于纤维素酶，还可以为纤维二糖酶、木聚糖酶、木质素酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种混合酶。
[0031]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，在不脱离本发明构思的前提下，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内。
【主权项】
1.一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，其具体步骤为: (1)将木质纤维素原料进行除尘、粉碎； (2)配制酸、碱、盐溶液或有机溶剂； (3)将(I)中粉碎的原料与(2)中所配制的溶液加入安装有搅拌装置的预处理反应器中，实施预处理； (4)从步骤(3)中得到的预处理物料进行酶解糖化实验或同步糖化发酵加工工序。
2.如权利要求1所述的一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，在所述的步骤(I)中，所述的木质纤维素原料为玉米秸杆、小麦杆、大麦杆、稻草、麸皮、稻壳、高粱杆、油菜杆、柳枝稷、芦苇、废纸、木屑、麻风树籽壳等富含纤维素和半纤维素的物料的一种或几种的混合物，通过锤式粉碎机将物料粉碎至颗粒长度为0.1-1cm0
3.如权利要求1所述的一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中,所述的溶液或溶剂包括下述溶液中的一项或多项组合:①酸性溶液,包括硫酸、盐酸、乙酸、甲酸、磷酸、亚硫酸、草酸、二氧化硫；②碱性溶液，包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、液氨、氨水；③中性溶液或盐溶液，包括水、过氧化氢、强酸弱碱盐、强碱弱酸盐、以及中性盐类所配制的溶液；④有机溶剂，包括乙醇、甲醇、丙酮、呋喃类化合物。
4.如权利要求1所述的一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中，预处理方法主要为化学方法，包括稀酸预处理、碱法预处理、蒸汽预处理、有机溶剂预处理中的一项或多项。
5.如权利要求1所述的一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中，反应器的釜体上安装有机械搅拌装置，机械搅拌装置包括外置马达以及搅拌桨，搅拌桨包括框式搅拌桨、螺带式搅拌桨、平叶式搅拌桨、斜叶式搅拌桨、弯叶式搅拌桨、锚式搅拌桨中的一种或几种的组合。
6.如权利要求1所述的一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，在所述的步骤(4)中，所述的酶水解中采用的酶选自纤维素酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、木质素酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种混合酶。
7.如权利要求1所述的一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其特征在于，在所述的步骤(4)中，发酵加工过程包括对木质纤维素物料酶水解得到产物的乙醇发酵、沼气发酵以及所有以糖为平台的生物炼制过程。
【专利摘要】本发明涉及一种无需预浸的木质纤维素原料预处理方法，其具体步骤为：(1)将木质纤维素原料进行除尘、粉碎等前处理；(2)配制酸、碱、盐溶液或者有机溶剂；(3)将步骤(1)得到的原料和步骤(2)得到的化学溶液或溶剂加入安装有搅拌装置的预处理反应器中，实施预处理；(4)将步骤(3)得到的预处理后的木质纤维素原料进行酶水解或同步糖化与发酵等后续的加工工序。本发明的优点：无需预浸的预处理过程在保证预处理效果的前提下，简化了预处理过程的操作复杂性，大大缩短了预处理过程的时间，提高了预处理操作效率；同时，节省了预浸反应器等固定设备的投资，大幅降低了木质纤维素的预处理及最终生物炼制生产生物基化学品过程的成本。
【IPC分类】C12P5-02, C12P19-02, C12P7-10, C12P19-14
【公开号】CN104805151
【申请号】CN201410035237
【发明人】鲍杰, 何燕青, 张建
【申请人】华东理工大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2014年1月24日