农作物秸秆光合产氢的预处理方法
【专利摘要】本发明公开一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法，包括将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物；向第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min-35min得到第二产物；将第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性或微碱性得到预处理产物。采用本发明的上述农作物秸秆光合产氢的预处理方法，将秸秆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部分β-1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。更有利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合产氢的速率和原料的转化率。
【专利说明】农作物秸秆光合产氢的预处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光合产氢【技术领域】，特别涉及一种农作物秸杆光合产氢的预处理方法。
【背景技术】
[0002]众所周知光合细菌(Photosynthetic bacteria, PSB)在光照的条件下,其菌体光捕获复合体上的细菌叶绿素Bchl和类胡萝卜素吸收光子后，将能量传送到光合反应中心RC，从而产生一个高能电子e*，由于光合细菌只具有光合系统I (PSI)，所以该高能电子只能经环式磷酸化产生ATP或者非环式磷酸化产生少量ATP和NADH2 (或NADPH2)。光合细菌的固氮酶利用光合磷酸化产生的ATP及NADH2 (或NADPH2)所提供的H+和e_，并没有完全将N2还原成NH3,而是有一部分f在氢酶的协同作用下将H+还原为H2。
[0003]而在我国年产约7X 109t的农作物秸杆，秸杆中富含大量的木质纤维素，通过生物发酵等处理可以转化为可再生糖类资源，而产生的糖类是光合细菌在发酵产氢过程中所需的原料底物，成本低收益高，因此在生物产氢的工业生产中常常被采用。
[0004]但是现有利用秸杆光合作用生产氢气能源的过程中，由于秸杆本身的物质组成中所含有的大量难降解的木质素和纤维素组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维聚合物。这些结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性，非常难于被厌氧微生物利用，因此采用秸杆进行产氢的转化速度和转化率非常低，在使用中难以达到预期的效果。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的为了弥补上述问题，提供一种能有效改善光合产氢的秸杆的结构成分、使之能较好地被光合细菌用于发酵从而实现提高产氢转化速度和转化率的预处理方法。
[0006]本发明提出一种农作物秸杆光合产氢的预处理方法，包括如下步骤:
[0007]将农作物秸杆进行机械粉碎得到第一产物；
[0008]向所述第一产物加入质量分数为20%_30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min_35min得到第二产物；
[0009]将所述第二产物冷却至25°C左右，并用碱液调节pH值至中性或微碱性得到预处
理产物。
[0010]优选地，所述将农作物秸杆进行机械粉碎得到第一产物步骤中，第一产物破碎至超微细度。
[0011]优选地，向所述第一产物中加入乙酸溶液的浓度为25%。
[0012]优选地，所述第一产物加入20%_30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持31min。
[0013]优选地，将农作物秸杆进行机械粉碎的同时加入双氧水，并在40-60度的温度下进行机械破碎。[0014]优选地,所述机械破碎为震动球磨研磨破碎。
[0015]优选地，所述高温高压条件为:温度100°C _130°C、气压102kPa_104kPa。
[0016]采用本发明的上述农作物秸杆光合产氢的预处理方法，针对光合细菌发酵产氢过程中，原始秸杆中性质稳定的纤维结构无法进行良好利用的问题，将秸杆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部分β_1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。更利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合产氢的速率和原料的转化率。
【具体实施方式】
[0017]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]本发明提供了一种农作物秸杆光合产氢的预处理方法。
[0019]本发明的农作物秸杆光合产氢的预处理方法，基于物理和化学反应机理,包括如下步骤:
[0020]S10，将农作物秸杆进行机械粉碎。
[0021]一般农作物秸杆(比如高粱杆、麦杆、稻杆)其本身的体积比较大，其外表面均含有外壁，在有外壁的情形下难以直接被光合细菌利用，因此首先将农作物的秸杆进行机械粉碎。
[0022]上述步骤中可以采用常用的干法粉碎，直接将原料破碎至比较合适的细度。为了取得更好的效果，本实施方式中，采用震动球磨研磨破碎的方法，将秸杆通过震动球磨机械冲击中进行研磨。通过球磨的震动对秸杆进行机械方式的破碎，相比其他的破碎方法可以使纤维素的结构松散，和使微纤中及微纤间晶区中存在的分子间氢键断裂，从而使棉纤维的水解速率和糖类物质的转化率提高。
[0023]通过对秸杆进行机械粉碎至使原料的尺寸变小，一方面增大了纤维素原料的比表面积，另一方面破坏了其结晶性，经粉碎的纤维素粉末没有膨胀性，体积小，可以提高基质浓度，更加利于光合细菌的利用。
[0024]S20，将秸杆经机械粉碎后的第一产物加入浓度为20%_30%的乙酸后，在高温高压环境下保持15min_35min。
[0025]在实际中，是将秸杆机械粉碎后的产物加入上述比例的乙酸溶液至湿润的程度，然后在置入高压灭菌锅中保持15min-35min，一般高压灭菌锅中的温度100°C _13°C、压力为 102kPa-104kPa。
[0026]将上述粉碎后的秸杆产物进行高温高压处理，由于添加了乙酸，那么在高温高压处理的过程中，秸杆中的纤维素、半纤维`素等等会在酸性条件下发生水解反应，产生还原性糖类物质用于光合细菌发酵过程中的底物和原料，直接被光合细菌利用。同时更加主要地，乙酸这一物质本身可以作为光合细菌产氢的底物和催化，比如沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)可以直接以乙酸为底物进行光合产氢的原料进行反应,且反应的速率和产物的转化率比较高。
[0027]同时，经过该步骤处理，还能将秸杆中本身存在的其他杂菌灭除，以防止在发酵过程中对光合细菌生长产生抑制干扰。[0028]S30，将步骤S20处理之后的第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性或者微碱性。
[0029]由于在步骤S20中获取的第二产物中，由于其还含有一定量的乙酸，在酸性的环境下，光合细菌大多无法正常生长，而不能进行发酵产氢，因此需要进行pH值调整，使产物的化学环境适于光合细菌生长。
[0030]采用本发明的上述农作物秸杆光合产氢的预处理方法，针对光合细菌发酵产氢过程中，原始秸杆中性质稳定的纤维结构无法进行良好利用的问题，将秸杆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部分β_1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。更加利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合产氢的速率和原料的转化率。
[0031]进一步地，在上述实施方式中，步骤SlO中将秸杆原料破碎至超微的细度，因为出于上述破坏纤维结构和增加光合细菌发酵中接触的立意，本发明中分别采取将同样质量(每次5g，重复3次)的秸杆原料机械破碎至120目、150目、180目和超微的细度，按照上述预处理之后的产物取相同的质量的预处理产物，用碱性酒石酸铜液滴定法进行还原性糖的量的测试结果如下表1。
[0032]表1:
[0033]
【权利要求】
1.一种农作物秸杆光合产氢的预处理方法，其特征在于，包括如下步骤: 将农作物秸杆进行机械粉碎得到第一产物； 向所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min-35min得到第二产物； 将所述第二产物冷却，并用碱液调节PH值至中性或微碱性得到预处理产物。
2.如权利要求1所述的农作物秸杆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述将农作物秸杆进行机械粉碎得到第一产物步骤中，第一产物破碎至超微细度。
3.如权利要求1或2所述的农作物秸杆光合产氢的预处理方法，其特征在于，向所述第一产物中加入乙酸溶液的浓度为25%。
4.如权利要要求I或2所述的农作物秸杆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持31min。
5.如权利要求2所述的农作物秸杆光合产氢的预处理方法，其特征在于，将农作物秸杆进行机械粉碎的同时加入双氧水，并在温度为40°C _60°C下进行机械破碎。
6.如权利要求5所述的农作物稻杆光合产氢的预处理方法,其特征在于，所述机械破碎为震动球磨研磨破碎。
7.如权利要求4所述的农作物秸杆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述高温高压条件为:温度 100°c - 130°c、气压 102kPa-104kPa。
【文档编号】C12R1/01GK103667360SQ201310639170
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】曾德芳, 唐宏泉, 严欢, 陈玉国, 蔡振华 申请人:武汉惠农乐植物营养科技有限公司