一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用
【专利摘要】本发明涉及木质纤维素类原料生产乙醇的技术领域，尤其是一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用。该方法包括以下步骤：(1)将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用；(2)将玉米秸秆与芬顿试剂置于三角瓶中，常温条件下反应24～72h，反应结束后，将玉米秸秆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸秆。采用本发明预处理后的秸秆酶解葡萄糖产量提高57％，其操作简单，无需高温高压设备，对设备要求低，能耗低，适合工业化生产。
【专利说明】
一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用
技术领域
[0001] 本发明涉及木质纤维素类原料生产乙醇的技术领域，尤其是一种秸杆生产乙醇的 预处理方法和应用。
【背景技术】
[0002] 生物质是一种重要的可再生资源，利用生物质生产燃料乙醇是一种新的能源利用 形式，环境污染小，是目前的研究热点。我国生物质原料丰富，其中玉米秸杆年产量高达7亿 多吨，占生物质原料的35%。如果能将生物质资源转化为可利用的液体或气体燃料，将有力 缓解人类所面临的资源危机、能源短缺及环境污染等一系列问题，具备很好的应用前景。
[0003] 秸杆类原料的主要是由纤维素、半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构， 导致纤维素后续糖化水解效率低，乙醇产率低。所以，需要通过预处理，破坏木质素对纤维 素和半纤维素的包裹，降低纤维素的结晶度，提高后续糖化效率，进而提高生物质利用率。
[0004] 目前，玉米秸杆的预处理方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法主要包括机 械粉碎、微波辐射预处理、蒸汽爆破预处理以及热解预处理等。该类方法主要的缺点是能耗 大，机械粉碎的能耗占总能耗的50%~60%，处理效率低。蒸汽爆破预处理法是使用较多广 泛，处理效果较好的一种方法，该预处理法的优点是不必添加任何化学物品。但是利用该法 进行预处理时，部分木质纤维素物质会在高温条件下发生降解，产生对后续的酶解和发酵 过程有抑制作用的有毒有害物质。化学预处理法主要有无机酸、无机碱和有机溶剂预处理 等方法，其机理主要是使木质纤维素发生吸胀，破坏纤维素的结晶结构，使纤维素、半纤维 素和木质素发生溶解并降解。生物法预处理的能耗低，操作简便，又不污染环境，但其处理 效率低，处理周期长。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种秸杆生产乙醇的预处理方法和应 用，克服现有木质纤维素类原料生产乙醇预处理技术的不足，采用本发明方法可以有效提 高酶解葡萄糖产量，反应无需高温高压设备，对反应设备要求低。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] -种秸杆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
[0008] (1)将玉米秸杆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用；
[0009] (2)将玉米秸杆与芬顿试剂置于三角瓶中，芬顿试剂中氯化亚铁的摩尔浓度范围 为:0.1~10mmol/L，芬顿试剂中过氧化氢的浓度范围为:0.05~5wt%，常温条件下反应24 ~72h，反应结束后，将玉米秸杆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸杆。
[0010] 所述的秸杆生产乙醇的预处理方法，玉米秸杆中的干物质与芬顿试剂的质量体积 比为Ig: (10~50)mL。
[0011] 所述的秸杆生产乙醇的预处理方法，烘干温度为50~IHTC。
[0012] 所述的秸杆生产乙醇的预处理方法，在生物质燃料乙醇或生物质发酵工程中的应 用。
[0013] 本发明的优点及有益效果是：
[0014] 1、本发明在常温常压下预处理玉米秸杆，避免了高能耗及高温高压带来的不安全 因素，预处理后的秸杆酶解葡萄糖产量提高57%。
[0015] 2、本发明所涉及的装置结构简单，操作方便，不涉及复杂的高温高压设备和工艺， 能耗低，易于产业化推广，适合工业化生产。
[0016] 3、本发明所涉及的芬顿试剂为低浓度亚铁离子和过氧化氢，高浓度的亚铁离子和 过氧化氢处理会导致纤维素降解和自由基减少，阻碍亚铁离子的反应和更多羟基自由基的 形成。
【具体实施方式】
[0017] 在具体实施过程中，本发明玉米秸杆生产乙醇的预处理方法，玉米秸杆与芬顿试 剂的主要反应过程如下：
[0018] 过氧化氢本身氧化性很强，但是在低浓度时氧化能力有限，Fe2+与过氧化氢反应生 成· OH自由基，增加过氧化氢的氧化能力，反应方程式如下：
[0019] Fe2++H2〇2-Fe3++OH-+ · OH
[0020] Fe3++H2〇2^Fe2++H ++ · OOH
[0021] 高活性的· OH与纤维素链中葡萄糖吡喃环上的羟基反应，破坏纤维素分子内和分 子间的氢键，纤维素的无定型区和部分结晶区被氧化，羟基被氧化为醛基和羧基，生成活性 有机物自由基，导致纤维素解聚，改变纤维表面形貌。反应如下：
[0022]
[0023]下面结合实施例进一步阐述本发明，应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】 仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0024] 实施例1
[0025]本实施例中，玉米秸杆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
[0026] 1、将玉米秸杆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
[0027] 2、配制300mL的芬顿试剂中=FeCl2的浓度为lmmol ,H2O2的浓度为3wt%。
[0028] 3、将IOg经粉碎过筛后的玉米秸杆置于上述溶液中，常温条件下反应24h，真空抽 滤、清洗后105 tC烘干，得到预处理的玉米秸杆。
[0029] 实施例2
[0030]本实施例中，玉米秸杆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
[0031] 1、将玉米秸杆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
[0032] 2、配制300mL的芬顿试剂中=FeCl2的浓度为2mmol ,H2O2的浓度为2wt%。
[0033] 3、将IOg经粉碎过筛后的玉米秸杆置于上述溶液中，常温条件下反应24h，真空抽 滤、清洗后50°C烘干，得到预处理的玉米秸杆。
[0034] 实施例3
[0035]本实施例中，玉米秸杆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
[0036] 1、将玉米秸杆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
[0037] 2、配制300mL的芬顿试剂中=FeCl2的浓度为3mmol ,H2O2的浓度为lwt%。
[0038] 3、将IOg经粉碎过筛后的玉米秸杆置于上述溶液中，常温条件下反应48h，真空抽 滤、清洗后80°C烘干，得到预处理的玉米秸杆。
[0039] 实施例4
[0040] 本实施例中，玉米秸杆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
[0041] 1、将玉米秸杆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
[0042] 2、配制200mL的芬顿试剂中：FeCl2的浓度为3mmol，H2〇 2的浓度为0.5wt%。
[0043] 3、将IOg经粉碎过筛后的玉米秸杆置于上述溶液中，常温条件下反应48h，真空抽 滤、清洗后105 tC烘干，得到预处理的玉米秸杆。
[0044] 实施例5
[0045]本实施例中，玉米秸杆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
[0046] 1、将玉米秸杆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
[0047] 2、配制200mL的芬顿试剂中=FeCl2的浓度为5mmol ,H2O2的浓度为3wt%。
[0048] 3、将5g经粉碎过筛后的玉米秸杆置于上述溶液中，常温条件下反应72h，真空抽 滤、清洗后105 tC烘干，得到预处理的玉米秸杆。
[0049] 应用例
[0050] 将实施例1至5中预处理的玉米秸杆，应用在生物质燃料乙醇或生物质发酵工程 中，实验数据和技术效果如下：
[0051 ]用低浓度芬顿试剂预处理玉米秸杆葡萄糖产量与酶解时间有关，酶解时间48h葡 萄糖产量高于24h。经过芬顿试剂预处理后的秸杆酶解葡萄糖产量提高，酶解24h，葡萄糖产 量可提高47%;酶解48h，葡萄糖产量可提高57%。不同配比芬顿试剂预处理秸杆前后酶解 葡萄糖产量见表1。
[0052]表1不同配比芬顿试剂预处理秸杆前后酶解葡萄糖产量变化
[0054]实施例和应用例结果表明，本发明玉米秸杆的预处理方法，能够充分使芬顿试剂 与秸杆混匀，利用Fe2+与H2O2反应产生羟基自由基（· 0H)的强氧化性，一定程度破坏木质素 对纤维素的包裹，降低纤维度的结晶度，使预处理后玉米秸杆的酶解葡萄糖产量提高。本发 明操作简单，无需高温高压设备，能耗低，适用于生物质燃料乙醇和生物质发酵工程中。
【主权项】
1. 一种秸杆生产乙醇的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将玉米秸杆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用； (2) 将玉米秸杆与芬顿试剂置于三角瓶中，芬顿试剂中氯化亚铁的摩尔浓度范围为： 0.1~10mmol/L，芬顿试剂中过氧化氢的浓度范围为:0.05~5wt%，常温条件下反应24~ 72h，反应结束后，将玉米秸杆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸杆。2. 根据权利要求1所述的秸杆生产乙醇的预处理方法，其特征在于:玉米秸杆中的干物 质与芬顿试剂的质量体积比为1 g: (1 〇~50 )mL。3. 根据权利要求1所述的秸杆生产乙醇的预处理方法，其特征在于：烘干温度为50~ lure。4. 一种权利要求1所述的秸杆生产乙醇的预处理方法，其特征在于:在生物质燃料乙醇 或生物质发酵工程中的应用。
【文档编号】C12P7/10GK106086084SQ201610427735
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】陈富于, 刘庆玉, 孙清, 李阳
【申请人】沈阳农业大学