专利名称：一种玉米秸秆高价值综合利用的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种玉米秸杆的处理方法，具体涉及一种利用玉米秸杆联合生产乙醇、木质素、纤维、果胶、木糖和酵母的方法。
背景技术：
我国黄河以北是玉米主产区，玉米总面积达到2400hm2左右，玉米秸杆总产量大约为I. 6亿吨。当前玉米秸杆的利用，主要为反刍动物的饲草料、成型燃料或粉碎还田，利用价值不高。有些地区则丢弃在地头腐烂或者放火焚烧。造成资源浪费，还严重污染环境。玉米秸杆干物质约含纤维素33%，木质素15%，半纤维素20%，果胶9%，粗蛋白3. 5%,总糖含量10%，粗脂肪、矿物质等其它8. 5%左右。玉米秸杆经酸法水解，果胶、半纤维素、淀 粉等多糖可降解，还原糖可提高至20%左右。其中半纤维可降解为木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖。以上物质中，纤维素、木质素、果胶、木糖、还原糖都是十分宝贵的物资。还原糖可发酵生产燃料乙醇。乙醇发酵液产出大量酵母，可回收利用。最低级的利用是用于动物饲料。而高级的利用则是开发成营养食品。乙醇蒸馏后的醪液，富含氨基酸、蛋白质和营养盐，可用于植物营养液。纤维素是葡萄糖长链聚合物，用途十分广泛，应用领域包括造纸、建材、化工、化妆品、食品、医药、陶瓷、耐火材料、皮革、烟草等等。仅造纸材料而言，我国人口多，土地少，森林有限，木材资源紧缺，纸浆严重缺乏。每年纸浆缺口 3700万吨，需花170亿美元从国外进口纸浆，以满足国内需求。木质素是芳香醇类聚合物，存在于玉米秸杆的木质组织中，形成交织网硬化细胞壁。木质素及其衍生物具有多种功能性，可作分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、浙青乳化剂。木质素与煤混合液化可产液体燃料。木质素还被广泛应用于高速路面、机场跑道中，称为路面木质素纤维。其质量标准为木质素含量75-80%，PH7. 5左右，最大长度llOOum，平均长度45um，体积密度25_30g/L。市场前景看好，价格2800至4500元/吨。果胶是良好的乳化、增稠、稳定和胶凝剂，广泛应用于食品、纺织、印染、烟草、冶金等领域。果胶还有抗菌、止血、消肿、解毒、止泻、降血脂、抗辐射等作用，是一种优良的药物制剂基质。果胶也是水溶性膳食纤维，越来越受到研究与加工行业的重视。全球果胶的主要产量来自欧美国家，亚洲产量极少。目前，提取果胶的主要原料是柑桔皮、柠檬皮和苹果渣。这些原料资源量十分有限，造成价格长期高达12万元/吨不下。木糖的主要用途用于制备木糖醇，木糖醇的用途更加广泛；作为无热量甜味剂用于食品、饮料，适用于肥胖及糖尿病患者；作为双歧杆菌活化剂、钙吸收促进剂，用于提高人体免疫力的保健食品；应用于宠物饲料；用作烤制品；用作高档酱油色；用于轻工、化工等方面。因此，玉米秸杆全身皆是宝。但是，现今玉米秸杆的利用技术和工艺，主要是为某单一产品利用目的设计的。单一产品的利用方法，如玉米秸杆生产纸浆或乙醇或木糖，必然有把其它有用成分废弃，即造成大量废弃物排放，又增加单一产品的成本。由于产出少，效益低，玉米秸杆原料价格不可能提高，势必会抑制农户收集玉米秸杆的积极性，严重制约玉米秸杆深加工产业化发展。因此，必须考虑一种高效简便加工方案，提取以上多种有用物质，提高玉米秸杆的综合利用水平和效率，实现以玉米秸杆为原料，一套工艺联产乙醇、纤维、木质素、果胶、木糖和酵母 ，实现玉米主产区农业增效、农民增收，促进玉米种植业和相关加工业可持续发展。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种方法，通过综合利用玉米秸杆资源，联合生产乙醇、纤维、木质素、果胶、木糖和酵母，从而分摊玉米秸杆的综合利用成本，实现生产过程污染物零排放，提高玉米秸杆资源利用效率。为了达到本发明的上述目的，本发明提出以下技术方法提供一种玉米秸杆的综合利用方法，是以玉米杆为原料，通过连续的成套工艺联产乙醇、纤维、木质素、果胶、木糖和酵母的方法；具体讲，是先将玉米杆利用酸解法将其中的多糖、果胶、淀粉等可降解物降解为可溶性物质水溶液，实现渣料与可降解物的分离，然后将得到的可溶性物质水溶液用于发酵提取燃料乙醇、果胶、木糖，分离得到的渣料再用有机溶剂法生产纤维和木质素。本发明所述的方法，具体包括以下步骤a)将采收到的玉米秸杆去叶后粉碎成长度小于2厘米的丝状，加入质量浓度为4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。质量浓度的硫酸，加入的稀糖汁与秸杆体积比为2 5
I，将得到的混合物料制成超过80目的浆料，并控制浆料中的水含量在85%以下，将浆料温度升至7(TlO(rC，保持25 40分钟，完成玉米秸杆第一次酸解，使玉米秸杆中的果胶充分溶解进入稀糖汁；将浆料分离成含水50%的渣料I和富含果胶和糖汁的水溶液I ;b)在步骤a)得到的渣料I中加入其体积2飞倍的质量浓度为4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。质量浓度的硫酸，浸泡15 30分钟，然后使渣料温度升至115 125°C，保持6(T90分钟，完成二次酸解，使渣料中的淀粉、半纤维素、多糖充分降解；待渣料温度降至IOO0C以下时，将处理后的浆料分离成渣料2和富含降解糖的水溶液2 ；c)将步骤b)得到的渣料2按体积I : I加入清水浸泡，待渣料中糖汁充分浸出后，进行渣液分离，获得糖汁酸液I和渣料3 ；d)将步骤c)得到的渣料3加入其体积5 7倍的30%浓度的乙醇，再按lg/L的比例向渣料3和乙醇的混合物中添加KOH催化剂，混匀后，使物料温度上升至100°C，保持6(T90分钟，完成渣料3的醇解过程，使渣料3中的木质素充分降解；待物料温度降至50°C以下，分离得到渣料4和木质素溶液；e)将步骤d)得到的渣料4用30%乙醇萃取残留木质素，得到萃取液和纤维素；去除并回收步骤d)获得的木质素溶液中的乙醇，得到析出有木质素的水溶液，再经常规处理获得木质素；f)在步骤a)获得的富含果胶和糖汁的水溶液I中加入活性炭进行脱色，活性炭加入的比例占步骤a)所述的玉米秸杆干物质重量的4 7%，脱色后过滤获得活性炭渣I和滤液，滤液中按滤液体积的I. 5倍加入95%乙醇，使果胶变成絮状物析出，完成果胶醇析,得到富含果胶絮状物的浆液，再经固液分离得到溶液3和果胶固形物；溶液3经蒸馏后回收乙醇，剩余为糖汁酸液2 ;g)将步骤b)获得的富含降解糖的水溶液2和步骤f)获得的糖汁酸液2混合得到混合糖汁，控制其中糖浓度为16 20%，在每升混合糖汁中加入生成0. 5^1. 5g的(NH4)2SO4所需的氨水、8 12g的MgS04、2飞g的KH2PO4和2飞g的CaCl2,再加入熟石灰调节糖汁pH至4 5 ；h)取步骤g)调制好的糖汁溶液的少部分，稀释成糖度为2%的水溶液，加入糖质酒精安琪酵母，加入的糖质酒精安琪酵母是步骤g)得到的糖汁溶液总重量的I/万，无菌风增氧条件下进行酵母扩繁r3小时；然后将扩繁后的酵母加入步骤g)调配好的剩余糖汁中，充分混合，厌氧发酵2(T48小时，检测残余还原糖含量，当还原糖含量小于0. 5%并连续3次检测维持不变时，酒精发酵结束，得到活酵母沉淀物和清液1，清液I经蒸馏得到40%v/v的粗酒和醪液；i)步骤h)蒸馏后得到的醪液，按其中干物质重量的4 7%加入活性炭，完成醪液的脱色，过滤获得清液2和活性炭渣2 ;去除清液2中的带电盐分离子，然后经浓缩、降温、力口晶核、结晶、干燥，获得木糖结晶粉；将步骤f)得到的活性炭渣I与本步骤得到的所有废弃物混合，得到液体肥料。步骤f)中，得到的果胶固形物进一步经清洗、干燥、粉碎后获得果胶粉。步骤h)中，得到的粗酒可进一步通过常规方法制备得到燃料乙醇。步骤i)所述的去除清液2中的带电盐分离子优选通过离子交换和纳米超滤的方法完成。步骤i)所述的本步骤得到的所有废弃物包括活性炭渣2、去除清液2中的带电盐分离子时得到的废液、和/或浓缩、降温、结晶和干燥过程得到的废液。本发明的方案中，为了进一步降低成本、提高物料利用率，优选采用以下方式中的一种或多种步骤e)中，先将所述萃取液与步骤d)得到的木质素溶液混合后再去除和回收混 合溶液中的乙醇；步骤f)蒸馏后得到的糖汁酸液2用于步骤a)的第一次酸解或步骤b)的二次酸解；步骤e)或步骤f)回收的乙醇中的一种或两种和步骤h)蒸馏得到的粗酒合并，经过精馏、脱水后得到浓度不低于95%的燃料乙醇；或者步骤h)得到的活酵母返回步骤h)的扩繁程序循环使用，重复利用6次后，回收制备得到酵母蛋白饲料。发明的方法可以使用各种现有设备完成，例如，步骤a)中，玉米秸杆的去叶和粉碎成丝可以采用ZL200910136184. 3中公开的大批量秸杆除叶装置完成，该机器在清除秸杆叶子的同时，直接将玉米秸杆打成长度小于2厘米丝状物；所述的玉米秸杆的去叶和粉碎也可以分步进行，其中粉碎成丝可以通过分丝机完成，分丝机可以是螺杆式分丝机，也可以是锤片式粉碎机；所述浆料的制备可以采用磨浆机制得，磨浆机优选采用耐酸材料制作的高浓磨浆机；步骤a)和b)中的酸解可以在蒸汽加热的反应罐中完成；步骤b)和c)中分离渣料可使用不锈钢挤浆机；步骤e)中的蒸馏可以在蒸馏釜中完成；步骤g)中的发酵可以将物料用自吸泵抽送入发酵袋中完成；等等。
本发明的一种优选的方案，其工艺流程图如图I所示，具体步骤如下I)采收玉米秸杆，可以是新鲜秸杆，亦可以是晒干的秸杆。原料运至加工厂后，采用ZL200910136184. 3中公开的大批量秸杆除叶装置去除玉米秸杆叶子，该机器在清除秸杆叶子的同时，直接将玉米秸杆打成长度小于2厘米丝状物；2)将95%浓硫酸，用4-10%浓度的稀糖汁配制成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，以备制浆使用；所需稀糖汁液的总量按所处理秸杆体积的1/5准备；秸杆处理量完成至1/5后，产出的步骤17)获得的稀糖汁可替代本步骤配制的稀糖汁液，用于制浆；3)用不锈钢泵将步骤2)制备的稀糖汁液或者步骤10)和步骤17)得到的稀糖汁液泵入耐酸高浓磨浆机进料口，形成连续不断的水流以备送料制浆；用输送带将步骤I)制成的玉米秸杆的丝状物料，源源不断地从磨浆机进料口喂入，调整稀酸或者稀糖汁流量，使之与秸杆体积比为疒5 I混合物料，通过耐酸磨浆机制成超过80目的稀酸浆料，浆料从 磨浆机出口排进制浆池；4)将步骤3)制成的浆料，用螺杆泵输送入搪瓷反应罐，然后控制浆料中的水含量不超过85% ；5)用10%的稀硫酸溶液调整硫酸浓度，使步骤4)得到的浆料中硫酸浓度保持在5%。的目标浓度；6)待步骤5)的浆料硫酸浓度调好后，关闭反应罐，送蒸汽加温，直至罐内温度升至90°C，保持30分钟，完成玉米秸杆一次酸解，使玉米秸杆的果胶充分溶解进入稀酸液；7)将步骤6)酸解处理后的玉米秸杆浆料从反应罐中排放到料仓，然后用不锈钢切割泵，通过不锈钢管道将热浆料送入不锈钢挤浆机，至此，步骤6)的浆料被分离成含水50%的渣料和富含果胶和糖汁的水溶液；8)将步骤7)得到的渣料，按其体积的2倍加步骤2)配制的稀糖汁液，浸泡20分钟，再用螺杆泵泵入搪瓷反应罐，待浆料灌满后，关闭反应罐，通入蒸汽，使温度上升至120°C，保持I小时，完成二次酸解，使渣料的淀粉、半纤维素、多糖充分降解；9)待步骤8)搪瓷反应罐温度降至100°C以下时，将二次酸解处理后的浆料排入料仓，再用耐温切割泵送入挤浆机，将步骤8)处理后的浆料分离成渣料和富含降解糖的水溶液；10)将步骤9)获得的渣料，按体积I : I加入清水浸泡，待渣料糖汁充分浸出后，再用挤浆机压榨，获得稀糖汁和渣料，稀糖汁返回步骤3)制浆；11)将步骤10)获得的渣料，按渣料体积的5倍加入30%乙醇，按lg/L比例添加KOH催化剂，混匀后，用螺杆泵送入搪瓷反应罐，关闭反应罐，送入蒸汽加热，使温度上升至100°c，保持I小时，完成渣料的醇解过程，使渣料的木质素充分降解；12)待步骤11)醇解后的浆料，温度降至50°C以下，将浆料排入料仓，然后用切割泵泵入挤浆机，将纤维素与木质素溶液分离；13)将步骤12)获得的渣料，先用30%乙醇清洗，然后用清水洗净，漂白，即获得纤维素；14)将步骤12)和步骤13)获得的木质素乙醇萃取液蒸馏，使溶液中的乙醇浓度降低，同时回收酒液；浓缩液待乙醇挥发殆尽，由于木质素不溶于水而析出，将析出木质素过滤，洗净，干燥，即获得木质素；回收的酒液继续用于醇析，或用于蒸馏燃料乙醇；
15)将步骤7)获得的果胶液，用耐酸泵送入耐酸罐内，按与玉米秸杆干物质4 7%比例添加活性炭，进行果胶液脱色；脱色后过滤获得的果胶液，按果胶液体积的I. 5倍加95%乙醇，完成果胶醇析过程，使果胶变成絮状物析出；再将富含果胶絮状物的浆液，用切割泵送入离心机，将糖汁和果胶分离；糖汁送入蒸馏器蒸馏，回收乙醇；16)清洗步骤15)过滤获得的果胶固形物，干燥，粉碎，即获得果胶粉；17)将步骤9)得到的富含降解糖的水溶液和步骤15)糖汁蒸馏后获得的糖汁酸液混合，控制糖浓度在18-20% ；18)将步骤17)得到的浓度在18-20%的糖汁，按生成的(NH4)2SO4为lg/L的比例加氨水，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加腿#04、按5g/L的比例加CaCl2,再加少量熟石灰，将水溶液至pH值调整至4到5 ;
19)按步骤18)调制好的糖汁溶液，取其中的1/1000，稀释成糖度为2%的水溶液，投入酵母罐中，按步骤18)制备糖液的I/万比例取糖质酒精安琪酵母，投入罐中，并用无菌风给罐中稀糖液增氧，进行酵母扩繁2小时；20)将步骤18)调制好的水溶液，用自吸泵抽送入发酵袋，同时将步骤19)扩繁的酵母液，随抽入发酵袋的水溶液投入发酵袋中，然后封闭发酵袋进行厌氧发酵20至48小时，检测残余还原糖含量，当还原糖含量小于0. 5%并连续3次检测维持不变时，酒精发酵结束，得到残留的沉淀物和酒液清液；21)保留步骤20)发酵袋内残留的沉淀物一活酵母，用于下次糖液发酵，重复利用6次后，待酵母活性下降，回收酵母，清洗，干燥，用于制备酵母蛋白饲料；22)提取步骤20)发酵成熟后的酒液清液，用自吸泵抽送入蒸馏釜，经过蒸馏提取40% (v/v)粗酒，再与步骤14)回收的酒液和步骤15)回收的乙醇一起精馏、脱水提取浓度不低于95%(v/v)的燃料乙醇和醪液；23)将步骤22)蒸馏后的醪液，按溶液中干物质4 7%比例，加活性炭，完成醪液的脱色；过滤获得清液和活性炭渣；24)将步骤23)获得的清液，通过阴、阳、阴离子交换柱，部分去除溶液中的阴、阳离子，获得富含木糖的溶液；25)将步骤24)获得的溶液，通过纳米超滤，进一步去除溶液的带电盐分离子；26)将步骤25)获得的木糖溶液浓缩，降温，加晶核，结晶，干燥，获得木糖结晶粉；27)将步骤26)、25)、24)的废液和步骤23)、15)的废渣及步骤24)离子交换柱洗脱液混合，得到液体肥料。本发明是从玉米秸杆的资源化利用出发提出来的，但是可以应用于稻草、菊花杆、麦杆等主要物质成分与玉米秸杆相近的秸杆。本发明提出以玉米秸杆等富含果胶、半纤维、纤维、木质素、糖分、淀粉、多糖的植物茎杆为原料联合生产乙醇、果胶、木糖、纤维和木质素，回收酵母饲料的工艺，同现有玉米秸杆加工技术相比，有如下优势与玉米秸杆“酸-酶-同步发酵法”制乙醇(吕伟民等，2002 ;陈明，2007)及水解制果胶(刘华敏，201010249450. 6)和“醇解-酸析法”(田毅红等，2012)、高沸溶剂-水析法(李勉军等，2002)提取木质素及其它秸杆制木糖、纸浆等工艺相比，这些工艺的秸杆利用目的单一，产品单一，经济效益也较低，还有大量剩余物被废弃。实施结果是秸杆资源未充分利用，排放大量废弃物，造成二次污染。在实际生产中无法提高原料价格，无法提高农户收集秸杆原料积极性。本发明考虑的是玉米秸杆全面综合利用，即使是最后的废液，也被利用为叶面肥，没有固体废物残留和废液排放，做到了一种玉米秸杆产出多种产品，且这些产品都是我国国 民经济建设紧缺物资。围绕这一工艺目标，本发明改变上述单一的工艺方法，采用多种降解方法联用的方案，建立完善连贯的工艺流程，为玉米秸杆的完全利用出厂多种产品奠定了方法基础。催化剂和降解剂选用其最终能够转化为肥料的碳酸钾和硫酸；溶剂尽可能采用能够重复回收利用或者作为产品回收的乙醇，为生产流程全过程无害化放奠定工艺基础。与苏州中能科技有限公司利用玉米秸杆联产乙醇、包装箱纸浆、木糖醇、沼气、有机肥和果树营养液的“酸-酶法”相比，本发明采用的是“酸-酸-醇解法”，利用玉米秸杆出厂产品，除了乙醇相同外，其他产品均不相同。本发明出产的其他产品为纤维、木质素、果胶、木糖、酵母饲料和液体肥料。其中的纯净纤维不仅可以用于包装箱纸浆，还可以用于高档纸浆及其他纤维材料。所产生的经济效益，“酸-酶法”每投入5883元可产出价值7000元，利润率为18. 99% ;而本发明的“酸-酸-醇解法”每加工I吨玉米秸杆，投入7570元，产出价值14440元，利润率90. 75%。
图I是本发明优选的技术方案的流程图。
具体实施例方式实施例I以玉米秸杆为原料联产乙醇、果胶、木糖、纤维、木质素，回收酵母饲料，其工艺流程具体实施过程如下I、收集干玉米秸杆2千克，测含水量为15%，采用ZL200910136184. 3中公开的大批量秸杆除叶装置清除叶片，获得长度小于2cm的玉米秸杆丝1660克；2、将95%浓硫酸，用4-10%浓度的稀糖汁配制成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，然后将稀糖汁液与步骤I处理好的玉米秸杆按体积比2:1的比例混合，通过耐酸磨，将玉米秸杆磨成80目的浆料，体积大约为5m3 ；3、将步骤2得到的浆料泵入搪瓷反应罐，加热至70-100°C，反应30min，完成一次
酸解，使果胶充分溶解于酸液；4、将步骤3 —次酸解处理后的浆料，排入料仓，然后用切割泵送进挤浆机，使果胶溶液与渣料分离；5、在步骤4得到的果胶溶液中，加入7g/L的活性炭，进行果胶液脱色；然后在脱色后的果胶液中，加入I. 5倍的95%乙醇，完成果胶醇析过程，使果胶絮凝；然后用离心机分离果胶和溶液；再将果胶清洗，干燥，粉碎，获得成品果胶粉160克；蒸馏溶液，回收乙醇用于后续工艺的醇解，同时获得糖汁酸液；6、将步骤5获得的糖汁酸液与步骤4分离获得的渣料混合，泵入搪瓷反应罐，调整酸液浓度至5%。，关闭搪瓷反应罐，输入蒸汽，使温度上升至120°C，保持60min，完成二次酸解；然后加冷水，降温至100°C以下，将二次酸解的浆料，排入料仓；
7、将步骤6 二次酸解获得的浆料，泵入挤浆机，完成二次酸解的糖汁与渣料分离；二次酸解渣料经清水浸泡后再挤浆去水，获得渣料以备后续工艺利用；8、步骤7 二次酸解渣料清洗后，按固液体积比1/5加30%乙醇溶液，再按lg/L比例加KOH催化剂，混匀后泵入搪瓷反应罐，关闭反应罐，加蒸汽，是温度上升至100°C，完成醇解过程，使木质素溶解并与纤维素分离；9、醇解完成后，搪瓷反应罐加冷水冷却至50°C以下，将浆料排入料仓；采用切割泵送入挤浆机，完成木质素溶液与纤维素分离；纤维素经30%溶液清洗，在用清水清洗，干燥，即获得纯净的纤维素603克；将纤维素30%乙醇清洗液与木质素溶液混合，在用蒸馏器蒸馏，回收乙醇；木质素沉淀干燥，即获得木质素产品288克；10、用浓缩或者加水的方法，调整步骤7得到的二次酸解的糖汁浓度至18%，pH值为2左右；先加氨水和营养盐后加石灰水，中和糖汁酸液,调整pH至5左右；氨水和营养盐加入量为按生成的(NH4)2SO4为lg/L的比例加氨水，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加KH2PO4、按5g/L的比例加CaCl2,得到待发酵糖汁；取待发酵糖汁中的1/1000，稀释成·糖度为2%的水溶液，投入酵母罐中，按待发酵糖汁总量的I/万比例取糖质酒精安琪酵母，投入罐中，并用无菌风给罐中稀糖液增氧，进行酵母扩繁2小时，得到酵母液；然后将剩余的调制好的待发酵糖汁水溶液，用自吸泵抽送入发酵袋，同时将扩繁得到的酵母液，随抽入发酵袋的水溶液投入发酵袋中，然后封闭发酵袋进行厌氧发酵30小时，检测残余还原糖含量，当还原糖含量小于0. 5%并连续3次检测维持不变时，酒精发酵结束，得到残留的酵母沉淀物和酒液清液；11、抽取步骤10得到的酒精清液至蒸馏器蒸馏，提取粗酒；再经过精馏、脱水，获得95% (v/v)的燃料乙醇210克；回收步骤10的酵母沉淀物，清洗，取出沉淀物，干燥，即获得酵母饲料20克；12、在步骤11乙醇蒸馏后剩余的醪液中，按干物质5%比例加活性炭，对醪液脱色；经脱色后的溶液，通过阴-阳-阴离子交换柱，在通过纳米超滤，获得木糖溶液；13、将步骤12得到的木糖溶液浓缩、冷却、接入木糖晶、结晶获得木糖晶粉126克；14、将步骤13产生的木糖结晶残液、步骤12产生的离子交换柱洗脱液、活性炭废渣混合，制成植物叶面肥或者肥料921克；通过以上流程，获得粗果胶160克、纤维素603克、木质素288克、乙醇210克、木糖126克、酵母20克和液体肥料921克。相当于每加工2吨玉米秸杆，可获果胶160千克、纤维素603千克、木质素288千克、乙醇210千克、木糖126千克、酵母20千克和液体肥料921千克。以上产品现时市场价格为果胶120元/千克、纤维素4元/千克、木质素3元/千克、乙醇5元/千克、木糖24元/千克、液体肥料0. 5元/千克计，以上各项产值为19200元、2412元、864元、1050元、3024元、460. 5元。秸杆2吨玉米秸杆总产值为27010. 5元。每加工I吨产值为13505. 25元。玉米秸杆按400元/吨计，原料成本为800元；2吨玉米秸杆加工成本电费450kwX0. 9元/kwhX lh=405元；人工费7人X 100元=700元；燃料费为1802元；辅料费2500元，其它，3593元，总成本费用为9800元。加工2吨玉米秸杆的利润为17210. 5元(未含折旧、销售、仓储、运输等其他间接成本 )。
权利要求
1.一种玉米秸杆的综合利用方法，是以玉米杆为原料，通过连续的成套工艺联产乙醇、纤维、木质素、果胶、木糖和酵母的方法；具体讲，是先将玉米杆利用酸解法将其中的多糖、果胶、淀粉等可降解物降解为可溶性物质水溶液，实现渣料与可降解物的分离，然后将得到的可溶性物质水溶液用于发酵提取燃料乙醇、果胶、木糖，分离得到的渣料再用有机溶剂法生产纤维和木质素。
2.权利要求I所述的方法，具体包括以下步骤 a)将采收到的玉米秸杆去叶后粉碎成长度小于2厘米的丝状，加入质量浓度为4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。质量浓度的硫酸，加入的稀糖汁与秸杆体积比为疒5 1，将得到的混合物料制成超过80目的浆料，并控制浆料中的水含量在85%以下，将浆料温度升至7(TlO(rC，保持25 40分钟，完成玉米秸杆第一次酸解，使玉米秸杆中的果胶充分溶解进入稀糖汁；将浆料分离成含水50%的渣料I和富含果胶和糖汁的水溶液I ; b)在步骤a)得到的渣料I中加入其体积2飞倍的质量浓度为4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。质量浓度的硫酸，浸泡15 30分钟，然后使渣料温度升至115 125°C，保持60、0分钟，完成二次酸解，使渣料中的淀粉、半纤维素、多糖充分降解；待渣料温度降至100°C以下时，将处理后的浆料分离成渣料2和富含降解糖的水溶液2 ； c)将步骤b)得到的渣料2按体积I: I加入清水浸泡，待渣料中糖汁充分浸出后，进行渣液分离，获得糖汁酸液I和渣料3 ； d)将步骤c)得到的渣料3加入其体积5 7倍的30%浓度的乙醇，再按lg/L的比例向渣料3和乙醇的混合物中添加KOH催化剂，混匀后，使物料温度上升至100°C，保持6(T90分钟，完成渣料3的醇解过程，使渣料3中的木质素充分降解；待物料温度降至50°C以下，分离得到渣料4和木质素溶液； e)将步骤d)得到的渣料4用30%乙醇萃取残留木质素，得到萃取液和纤维素；去除并回收步骤d)获得的木质素溶液中的乙醇，得到析出有木质素的水溶液，再经常规处理获得木质素； f)在步骤a)获得的富含果胶和糖汁的水溶液I中加入活性炭进行脱色，活性炭加入的比例占步骤a)所述的玉米秸杆干物质重量的4 7%，脱色后过滤获得活性炭渣I和滤液，滤液中按滤液体积的I. 5倍加入95%乙醇，使果胶变成絮状物析出，完成果胶醇析，得到富含果胶絮状物的浆液，再经固液分离得到溶液3和果胶固形物；溶液3经蒸馏后回收乙醇，剩余为糖汁酸液2 ； g)将步骤b)获得的富含降解糖的水溶液2和步骤f)获得的糖汁酸液2混合得到混合糖汁，控制其中糖浓度为16 20%，在每升混合糖汁中加入生成0. 5^1. 5g的(NH4)2SO4所需的氨水、8 12g的MgS04、2 6g的KH2PO4和2 6g的CaCl2,再加入熟石灰调节糖汁pH至4 5 ； h)取步骤g)调制好的糖汁溶液的少部分，稀释成糖度为2%的水溶液，加入糖质酒精安琪酵母，加入的糖质酒精安琪酵母是步骤g)得到的糖汁溶液总重量的I/万，无菌风增氧条件下进行酵母扩繁广3小时；然后将扩繁后的酵母加入步骤g)调配好的剩余糖汁中，充分混合，厌氧发酵2(T48小时，检测残余还原糖含量，当还原糖含量小于0. 5%并连续3次检测维持不变时，酒精发酵结束，得到活酵母沉淀物和清液1，清液I经蒸馏得到40%v/v的粗酒和醪液； i)步骤h)蒸馏后得到的醪液，按其中干物质重量的4 7%加入活性炭，完成醪液的脱色，过滤获得清液2和活性炭渣2 ;去除清液2中的带电盐分离子，然后经浓缩、降温、加晶核、结晶、干燥，获得木糖结晶粉；将步骤f)得到的活性炭渣I与本步骤得到的所有废弃物混合，得到液体肥料。
3.权利要求2所述的方法，其特征在于步骤f)中，得到的果胶固形物进一步经清洗、干燥、粉碎后获得果胶粉。
4.权利要求2所述的方法，其特征在于步骤h)中，得到的粗酒进一步通过常规方法制备得到燃料乙醇。
5.权利要求2所述的方法，其特征在于步骤i)所述的去除清液2中的带电盐分离子通过离子交换和纳米超滤的方法完成。
6.权利要求2所述的方法，其特征在于步骤i)所述的本步骤得到的所有废弃物包括活性炭渣2、去除清液2中的带电盐分离子时得到的废液、和/或浓缩、降温、结晶和干燥过程得到的废液。
7.权利要求2所述的方法，其特征在于步骤e)中，先将所述萃取液与步骤d)得到的木质素溶液混合后再去除和回收混合溶液中的乙醇。
8.权利要求2所述的方法，其特征在于步骤f)蒸馏后得到的糖汁酸液2用于步骤a)的第一次酸解或步骤b)的二次酸解。
9.权利要求2所述的方法，其特征在于步骤e)或步骤f)回收的乙醇中的一种或两种和步骤h)蒸馏得到的粗酒合并，经过精馏、脱水后得到95%以上的燃料乙醇；步骤h)得到的活酵母返回步骤h)的扩繁程序循环使用，重复利用6次后，回收制备得到酵母蛋白饲料。
10.权利要求I所述的方法，具体步骤如下 1)采收玉米秸杆，可以是新鲜秸杆，亦可以是晒干的秸杆。原料运至加工厂后，采用ZL200910136184. 3中公开的大批量秸杆除叶装置去除玉米秸杆叶子，该机器在清除秸杆叶子的同时，直接将玉米秸杆打成长度小于2厘米丝状物； 2)将95%浓硫酸，用4-10%浓度的稀糖汁配制成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，以备制浆使用；所需稀糖汁液的总量按所处理秸杆体积的1/5准备；秸杆处理量完成至1/5后，产出的步骤17)获得的稀糖汁可替代本步骤配制的稀糖汁液，用于制浆； 3)用不锈钢泵将步骤2)制备的稀糖汁液或者步骤10)和步骤17)得到的稀糖汁液泵入耐酸高浓磨浆机进料口，形成连续不断的水流以备送料制浆；用输送带将步骤I)制成的玉米秸杆的丝状物料，源源不断地从磨浆机进料口喂入，调整稀酸或者稀糖汁流量，使之与秸杆体积比为疒5 I混合物料，通过耐酸磨浆机制成超过80目的稀酸浆料，浆料从磨浆机出口排进制浆池； 4)将步骤3)制成的浆料，用螺杆泵输送入搪瓷反应罐，然后控制浆料中的水含量不超过 85% ； 5)用10%的稀硫酸溶液调整硫酸浓度，使步骤4)得到的浆料中硫酸浓度保持在5%。的目标浓度； 6)待步骤5)的浆料硫酸浓度调好后，关闭反应罐，送蒸汽加温，直至罐内温度升至90° C，保持30分钟，完成玉米秸杆一次酸解，使玉米秸杆的果胶充分溶解进入稀酸液； 7)将步骤6)酸解处理后的玉米秸杆浆料从反应罐中排放到料仓，然后用不锈钢切割泵，通过不锈钢管道将热浆料送入不锈钢挤浆机，至此，步骤6)的浆料被分离成含水50%的渣料和富含果胶和糖汁的水溶液； 8)将步骤7)得到的渣料，按其体积的2倍加步骤2)配制的稀糖汁液，浸泡20分钟，再用螺杆泵泵入搪瓷反应罐，待浆料灌满后，关闭反应罐，通入蒸汽，使温度上升至120°C，保持I小时，完成二次酸解，使渣料的淀粉、半纤维素、多糖充分降解； 9)待步骤8)搪瓷反应罐温度降至100°C以下时，将二次酸解处理后的浆料排入料仓，再用耐温切割泵送入挤浆机，将步骤8)处理后的浆料分离成渣料和富含降解糖的水溶液； 10)将步骤9)获得的渣料，按体积I: I加入清水浸泡，待渣料糖汁充分浸出后，再用挤浆机压榨，获得稀糖汁和渣料，稀糖汁返回步骤3)制浆； 11)将步骤10)获得的渣料，按渣料体积的5倍加入30%乙醇，按lg/L比例添加KOH催化剂，混匀后，用螺杆泵送入搪瓷反应罐，关闭反应罐，送入蒸汽加热，使温度上升至100°C， 保持I小时，完成渣料的醇解过程，使渣料的木质素充分降解； 12)待步骤11)醇解后的浆料，温度降至50°C以下，将浆料排入料仓，然后用切割泵泵入挤浆机，将纤维素与木质素溶液分离； 13)将步骤12)获得的渣料，先用30%乙醇清洗，然后用清水洗净，漂白，即获得纤维素； 14)将步骤12)和步骤13)获得的木质素乙醇萃取液蒸馏，使溶液中的乙醇浓度降低，同时回收酒液；浓缩液待乙醇挥发殆尽，由于木质素不溶于水而析出，将析出木质素过滤，洗净，干燥，即获得木质素；回收的酒液继续用于醇析，或用于蒸馏燃料乙醇； 15)将步骤7)获得的果胶液，用耐酸泵送入耐酸罐内，按与玉米秸杆干物质4 7%比例添加活性炭，进行果胶液脱色；脱色后过滤获得的果胶液，按果胶液体积的I. 5倍加95%乙醇，完成果胶醇析过程，使果胶变成絮状物析出；再将富含果胶絮状物的浆液，用切割泵送入离心机，将糖汁和果胶分离；糖汁送入蒸馏器蒸馏，回收乙醇； 16)清洗步骤15)过滤获得的果胶固形物，干燥，粉碎，即获得果胶粉； 17)将步骤9)得到的富含降解糖的水溶液和步骤15)糖汁蒸馏后获得的糖汁酸液混合，控制糖浓度在18-20%; 18)将步骤17)得到的浓度在18-20%的糖汁，按生成的(NH4)2SO4为lg/L的比例加氨/K，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加腿#04、按5g/L的比例加CaCl2,再加少量熟石灰，将水溶液至pH值调整至4到5 ; 19)按步骤18)调制好的糖汁溶液，取其中的1/1000，稀释成糖度为2%的水溶液，投入酵母罐中，按步骤18)制备糖液的I/万比例取糖质酒精安琪酵母，投入罐中，并用无菌风给罐中稀糖液增氧，进行酵母扩繁2小时； 20)将步骤18)调制好的水溶液，用自吸泵抽送入发酵袋，同时将步骤19)扩繁的酵母液，随抽入发酵袋的水溶液投入发酵袋中，然后封闭发酵袋进行厌氧发酵20至48小时，检测残余还原糖含量，当还原糖含量小于0. 5%并连续3次检测维持不变时，酒精发酵结束，得到残留的沉淀物和酒液清液； 21)保留步骤20)发酵袋内残留的沉淀物一活酵母，用于下次糖液发酵，重复利用6次后，待酵母活性下降，回收酵母，清洗，干燥，用于制备酵母蛋白饲料； 22)提取步骤20)发酵成熟后的酒液清液，用自吸泵抽送入蒸馏釜，经过蒸馏提取40%(v/v)粗酒，再与步骤14)回收的酒液和步骤15)回收的乙醇一起精馏、脱水提取浓度不低于95%(v/v)的燃料乙醇和醪液； 23)将步骤22)蒸馏后的醪液，按溶液中干物质4 7%比例，加活性炭，完成醪液的脱色；过滤获得清液和活性炭渣； 24)将步骤23)获得的清液，通过阴、阳、阴离子交换柱，部分去除溶液中的阴、阳离子，获得富含木糖的溶液； 25)将步骤24)获得的溶液，通过纳米超滤，进一步去除溶液的带电盐分离子； 26)将步骤25)获得的木糖溶液浓缩，降温，加晶核，结晶，干燥，获得木糖结晶粉； 27)将步骤26)、25)、24)的废液和步骤23)、15)的废渣及步骤24)离子交换柱洗脱液混合，得到液体肥料。
全文摘要
本发明提供一种玉米秸秆的综合利用方法，是以玉米秆为原料，通过连续的成套工艺联产乙醇、纤维、木质素、果胶、木糖和酵母的方法；具体讲，是先将玉米秆利用酸解法将其中的多糖、果胶、淀粉等可降解物降解为可溶性物质水溶液，实现渣料与可降解物的分离，然后将得到的可溶性物质水溶液用于发酵提取燃料乙醇、果胶、木糖，分离得到的渣料再用有机溶剂法生产纤维和木质素。本发明所述的方法通过综合利用玉米秸秆资源，联合生产乙醇、纤维、木质素、果胶、木糖和酵母，从而分摊玉米秸秆的综合利用成本，实现生产过程污染物零排放，提高玉米秸秆资源利用效率。
文档编号A23K1/16GK102796768SQ20121026623
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月30日 优先权日2012年7月30日
发明者张永北, 张爱诚, 罗靖, 陈武 申请人:张爱诚