一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其具體步驟為：(1)將木質(zhì)纖維素原料進行前處理；(2)將步驟(1)得到的木質(zhì)纖維素原料進行預處理；(3)調(diào)節(jié)步驟(2)得到的木質(zhì)纖維素原料的固體含量，并在磨漿機上進行磨漿處理；(4)將步驟(3)得到的木質(zhì)纖維素漿液進行下一步的酶水解和生物加工處理。本發(fā)明的優(yōu)點：通過對預處理后木質(zhì)纖維素原料進行磨漿，降低了木質(zhì)纖維素原料的粒徑，增大了酶解過程纖維素與酶的接觸面積，促進了酶解速率和效率，強化了木質(zhì)纖維素原料的預處理效果，降低了預處理過程的能耗和成本，其具有較好的流態(tài)化性能，增加了過程加工效率，減少了預處理后原料染菌的風險。
【專利說明】一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及生物煉制與生物能源領(lǐng)域，具體的是一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]木質(zhì)纖維素原料是世界上最豐富的可再生資源之一，其結(jié)構(gòu)復雜，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，其中纖維素和半纖維素可以通過水解而用于以糖為平臺的生物煉制過程。但是，纖維素被半纖維素和木質(zhì)素通過共價鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密包裹起來，從而形成了一種頑固致密的結(jié)構(gòu)。于是在生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素原料之前必須對其進行預處理，來打破半纖維素與木質(zhì)素的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而使纖維素暴露，并進一步降低纖維素的聚合度和結(jié)晶度，提高纖維素的酶可接觸性及酶解效率。因此，預處理過程對于以木質(zhì)纖維素為原料的生物煉制產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要作用。
[0003]木質(zhì)纖維素的預處理方法主要分為物理法、化學法、生物法和物化法等。物理法主要包括機械處理、高溫水熱處理等方法，盡管這類預處理方法可以提高纖維素在酶解時的轉(zhuǎn)化率，但是能耗較高且預處理效果有限而導致其不能廣泛應用；化學法主要有酸處理、堿處理、有機溶劑預處理等方法，這些預處理方法能夠有效促進纖維素的酶解效率，但是存在著嚴重的環(huán)境污染問題，并且污水處理成本較高；生物法預處理主要是利用白腐真菌類微生物降解木質(zhì)素，從而提高纖維素的酶解效率，但是其處理周期很長、操作條件要求嚴格、過程易染菌，而且預處理效果一般。
[0004]目前，研究比較深入、應用最為廣泛的木質(zhì)纖維素原料預處理方法當屬高溫稀酸預處理和蒸汽膨爆預處理。但是預處理強度過高、能耗過大以及預處理過程中產(chǎn)生的大量對后續(xù)酶解和發(fā)酵產(chǎn)生強烈抑制作用的化合物的產(chǎn)生，都大大限制了這些預處理方法的推廣和應用。
[0005]對于上述現(xiàn)有預處理方法中存在的技術(shù)不足，有必要開發(fā)一種快速、節(jié)能、高效，且成本低廉、操作簡單的后處理方法，來強化預處理效果，從而降低預處理強度以及減少預處理過程產(chǎn)生的抑制物，進而提高木質(zhì)纖維素的轉(zhuǎn)化效率。同時，磨漿后的木質(zhì)纖維素原料具有較好的流態(tài)化性能，可以通過泵進行輸送，增加了過程加工效率，減少了預處理后原料染菌的風險。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有木質(zhì)纖維素原料預處理技術(shù)的不足，提供一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，通過降低現(xiàn)有預處理方法的溫度、壓力或酸堿用量來降低預處理的強度，從而有效的降低預處理過程的能耗，減少預處理過程產(chǎn)生的抑制物含量，減少污染物對環(huán)境的影響。進一步通過磨漿處理強化預處理效果，降低預處理后物料的粒徑尺寸，提高木質(zhì)纖維 素原料的酶解性，有利于對木質(zhì)纖維素酶解產(chǎn)物的再加工。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:[0008]一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，具體步驟為:
[0009](I)將木質(zhì)纖維素原料進行前處理，包括粗粉、除塵、除沙步驟；
[0010]所述的木質(zhì)纖維素原料選自玉米秸桿、麥桿、稻桿、棉桿、油菜桿、甜高粱莖桿、甘蔗渣、木屑、廢紙、柳枝稷或者麻風樹籽殼、玉米芯及玉米芯工業(yè)殘渣(制木糖、木糖醇或糠醛后的殘渣)中的一種或幾種混合物；
[0011](2)將步驟(1)得到的木質(zhì)纖維素原料進行預處理；
[0012]預處理采用的方法選自蒸汽膨爆預處理方法、高溫稀酸預處理方法、高溫SO2預處理方法、氨纖維膨爆預處理方法、液氨循環(huán)滲透預處理方法、二氧化碳膨爆預處理方法、堿石灰預處理方法或者濕氧化法中的一種或幾種組合方法。
[0013]預處理方法所用的設(shè)備為反應器；所述的反應器的釜體上安裝有機械攪拌裝置，機械攪拌裝置包括外置馬達以及組合攪拌槳，組合攪拌槳為螺帶槳和刮底槳；螺帶槳通過支撐桿固定在攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構(gòu)成框體；刮底槳固定在攪拌軸的底端，并且貼近釜體底部；刮底槳為槳式或者錨式槳。
[0014](3)將步驟(2)得到的木質(zhì)纖維素原料并在磨漿機上進行磨漿處理，進一步降低木質(zhì)纖維素的粒徑；磨漿的方法為利用磨漿機進行磨漿處理；待磨漿處理的物料加入水，調(diào)節(jié)其固含量為5~30%，此處的固含量是指固體物料(主要是木質(zhì)纖維素原料)在磨漿體系中所占的質(zhì)量百分數(shù)；磨漿過程不添加其它化學試劑；磨漿處理I~20次，每次時間為I~IOmin ;磨衆(zhòng)處理后的木質(zhì)纖維素衆(zhòng)液的粒徑分布為0.001~Imm,優(yōu)選為0.01~
0.1mm0
[0015]磨漿處理所利用磨漿機類型包括:盤式磨漿機、柱式磨漿機以及錐式磨漿機。
[0016](4)將步驟(3)得到的木質(zhì)纖維素泥漿用于進行下一步的酶水解和發(fā)酵加工過程。
[0017]酶水解中采用的酶選自纖維素酶、纖維二糖酶、木聚糖酶、木質(zhì)素酶、酯酶或者果膠酶中的一種或幾種混合酶；
[0018]發(fā)酵加工過程包括對木質(zhì)纖維素物料酶水解得到產(chǎn)物的乙醇發(fā)酵、沼氣發(fā)酵、油脂發(fā)酵以及所有以糖為平臺的生物煉制過程。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果與益處具體如下:
[0020](I)本發(fā)明在傳統(tǒng)的預處理方法之后增加了磨漿處理工藝，通過降低預處理強度，并以磨漿處理進一步彌補和強化前期預處理效果。有效降低了因高強度預處理方法帶來的高能耗、高抑制物含量及對環(huán)境的污染。
[0021](2)經(jīng)過本發(fā)明處理后的木質(zhì)纖維素原料粒徑明顯降低，進而增加了木質(zhì)纖維素原料的比表面積，有效提高了纖維素及半纖維素的轉(zhuǎn)化率，縮短了酶解反應時間，節(jié)省纖維素酶用量，有效的加強了酶解程度和效率，使生物煉制產(chǎn)物的得率顯著提高。
[0022](3)經(jīng)過本發(fā)明處理后的木質(zhì)纖維素原料可以直接達到后續(xù)生物加工過程對原料固體含量的要求，無需添加水再次調(diào)節(jié)固體含量。從而有效的簡化了操作工序，進一步降低了操作成本。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0023]圖1本發(fā)明的反應器的結(jié)構(gòu)示意圖；[0024]附圖中的各標號分別為:1、加料器，2、加料口，3、螺帶槳，4、釜體外壁測溫管，5、測溫口，6、保溫層，7、刮底槳，8、高溫蒸汽入口，9、出料口，10、密封螺絲，11、排水口，12、傳動
>j-U ρ?α裝直。
【【具體實施方式】】[0025]實施例1
[0026]將玉米芯工業(yè)殘渣壓榨除水后，直接加入自來水，調(diào)節(jié)其固體含量為5% (w/w),在盤磨上進行磨衆(zhòng)處理一次，磨衆(zhòng)時間Imin,得到粒徑分布0.05~0.15mm的木質(zhì)纖維素漿液。取磨漿后的漿液放入錐形瓶中，并加入纖維素酶(上海尤特爾生化有限公司)，酶量為15FPU/g干物料，在50°C、pH 5.5、150rpm條件下酶解6h，纖維素的轉(zhuǎn)化率可以達到70.41%。未經(jīng)磨漿處理的玉米芯工業(yè)殘渣，在相同條件下酶解，纖維素的轉(zhuǎn)化率只有53.93%。
[0027]實施例2
[0028]將風干的玉米秸桿進行粗粉碎，除去其中的沙粒塵土等雜物，置于預處理反應器，在160°C、0.5MPa、稀硫酸的濃度為1% (w/w)，木質(zhì)纖維素干固體與稀酸的質(zhì)量比為1:1條件下，進行稀硫酸預處理15min，與處理所用的設(shè)備為反應器。向預處理后的秸桿原料加水，調(diào)節(jié)其固體含量為20% (w/w),在盤磨上進行磨衆(zhòng)處理一次,磨衆(zhòng)一次時間5min,得到粒徑0.01~0.08mm的木質(zhì)纖維素漿液。取磨漿后的秸桿漿液放入錐形瓶中，加自來水調(diào)節(jié)固含量為5% (w/w)，并加入纖維素酶(上海尤特爾生化有限公司)，酶量為15FPU/g干物料，在50°C、pH4.8、150rpm條件下酶解72h，纖維素的轉(zhuǎn)化率可以達到82.79%。未經(jīng)磨漿處理的預處理后的秸桿原料，在相同條件下酶解，纖維素的轉(zhuǎn)化率只有58.93%。
[0029]參見附圖1，所述的反應器的釜體上安裝有機械攪拌裝置，機械攪拌裝置包括外置馬達以及組合攪拌槳，其特征在于，組合攪拌槳為螺帶槳3和刮底槳7 ;螺帶槳通過支撐桿固定在攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構(gòu)成框體；刮底槳固定在攪拌軸的底端，并且貼近釜體底部；刮底槳為槳式或者錨式槳。
[0030]所述的機械攪拌裝置，即傳動裝置12，由電機直接帶動攪拌或電機-磁鋼傳動磁力攪拌，機械攪拌裝置通過螺栓固定在釜體頂部。
[0031]所述的螺帶槳的外緣設(shè)有刮片單元，可以有效清除預處理過程中預處理反應器內(nèi)表面粘貼的物料。
[0032]螺帶槳保證了預處理過程可以在O~100%的固體含量條件下進行蒸汽、硫酸和木質(zhì)纖維素原料的有效混合，避免局部溫度過高和抑制物的過量生成；螺帶槳外緣的刮片結(jié)構(gòu)可以保證預處理后的物料都能夠排出反應器，避免了大量預處理物料的釜內(nèi)殘留。
[0033]攪拌槳的加入，使預處理時反應器可以填滿木質(zhì)纖維素原料，從而降低預處理過程的蒸汽能耗和水耗，減少預處理廢水的產(chǎn)生。
[0034]所述的釜體上設(shè)有高溫蒸汽入口 8、測溫口 5、釜體外壁測溫管4、保溫層6、底部出料口 9和底部排水口 11 ;高溫蒸汽入口嵌入釜體底部，四個蒸汽入口均位于底部同一平面四個對稱位置；測溫口是由不銹鋼制備的熱電偶夾套，從罐體頂部深入反應釜內(nèi)；釜體外壁測溫管位于釜體背部，并緊貼反應釜外壁；保溫層是在釜體外壁纏繞加熱帶、石棉等保溫材料。[0035]釜體外壁測溫管測定預處理中釜體外壁溫度；上部測溫口伸入釜體測定釜中心溫度；釜體底部設(shè)有出料口，出料口由五個密封螺絲10保證釜體密封性以及在預處理中釜體內(nèi)能維持4.0MPa壓力，出料時擰開密封螺絲，向下卸開出料極為方便；底部排水口用于排出預處理中產(chǎn)生的少量冷凝水。
[0036]在釜體上端設(shè)有加料器I，下端設(shè)有放料口 2 ；
[0037]加料器通過螺紋與加料口相連，是通過外接連接于釜體內(nèi)部的進料裝置，加料器含有螺桿輸送單元，通過固定軸與外動力相連，適于輸送固體或半固體的木質(zhì)纖維素原料進入釜內(nèi)，物料經(jīng)過螺桿的剪切作用后進入釜體內(nèi)部，進一步降低物料粒徑，使其預處理更加充分。
[0038]釜體上的外壁測溫管和測溫口的設(shè)置不影響螺帶槳的全空間混合與攪拌；同時，與釜體配套的還有溫度顯示儀和壓力顯示器，溫度顯示儀是顯示測溫口和反應釜外壁測溫管的外接溫度顯示裝置，而在釜體上部有釜體壓力感應顯示器，實時對體系的溫度和壓力進行監(jiān)測，以便控制最佳的預處理反應條件。
[0039]本發(fā)明所涉及的木質(zhì)纖維素原料的處理方法不局限于蒸汽爆破預處理和高溫稀酸預處理方法，還可以為高溫SO2預處理方法、氨纖維膨爆預處理方法、液氨循環(huán)滲透預處理方法、二氧化碳膨爆預處理方法、堿石灰預處理方法或者濕氧化法中的一種或幾種組合方法。
[0040]本發(fā)明所涉及的酶不局限于纖維素酶，還可以為纖維二糖酶、木聚糖酶、木質(zhì)素酶、酯酶或者果膠酶中的一種或幾種混合酶。
[0041]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾均應視為本發(fā)明的保護范 圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，具體步驟為: (1)將木質(zhì)纖維素原料進行前處理，包括粗粉、除塵、除沙步驟； (2)將步驟(1)得到的木質(zhì)纖維素原料進行預處理； (3)將步驟(2)得到的木質(zhì)纖維素原料并在磨漿機上進行磨漿處理，進一步降低木質(zhì)纖維素的粒徑；磨漿的方法為利用磨漿機進行磨漿處理；待磨漿處理的物料加入水，調(diào)節(jié)其固含量為5~30%，磨漿過程不添加其它化學試劑； (4)將步驟(3)得到的木質(zhì)纖維素泥漿用于進行下一步的酶水解和發(fā)酵加工過程。
2.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，所述的木質(zhì)纖維素原料選自玉米秸桿、麥桿、稻桿、棉桿、油菜桿、甜高粱莖桿、甘蔗渣、木屑、廢紙、柳枝稷或者麻風樹籽殼、玉米芯及玉米芯工業(yè)殘渣中的一種或幾種混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(2)中，預處理采用的方法選自蒸汽膨爆預處理方法、高溫稀酸預處理方法、高溫SO2預處理方法、氨纖維膨爆預處理方法、液氨循環(huán)滲透預處理方法、二氧化碳膨爆預處理方法、堿石灰預處理方法或者濕氧化法中的一種或幾種組合方法。
4.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(2)中，預處理方法所用的設(shè)備為反應器；反應器的釜體上安裝有機械攪拌裝置，機械攪拌裝置包括組合攪拌槳，組合攪拌槳為螺帶槳和刮底槳；螺帶槳通過支撐桿固定在攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構(gòu)成框體；刮底槳固定在攪拌軸的底端，并且貼近釜體底部；刮底·槳為槳式或者錨式槳。
5.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(3)中，磨漿處理所利用磨漿機類型包括:盤式磨漿機、柱式磨漿機以及錐式磨漿機。
6.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(3)中，磨漿處理I~20次，每次時間為I~lOmin。
7.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(3)中，磨漿處理后的木質(zhì)纖維素漿液的粒徑分布為0.001~1mm。
8.如權(quán)利要求7所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，磨漿處理后的木質(zhì)纖維素漿液的粒徑分布為0.01~0.1mm。
9.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(4)中，酶水解中采用的酶選自纖維素酶、纖維二糖酶、木聚糖酶、木質(zhì)素酶、酯酶或者果膠酶中的一種或幾種混合酶。
10.如權(quán)利要求1所述的一種強化木質(zhì)纖維素原料預處理效果的磨漿后處理方法，其特征在于，在所述的步驟(4)中，發(fā)酵加工過程包括對木質(zhì)纖維素物料酶水解得到產(chǎn)物的乙醇發(fā)酵、沼氣發(fā)酵、油脂發(fā)酵以及所有以糖為平臺的生物煉制過程。
【文檔編號】C12P5/02GK103849664SQ201210508962
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月3日
【發(fā)明者】張建, 顧翰琦, 鮑杰 申請人:華東理工大學