農(nóng)作物秸稈光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種農(nóng)作物秸稈光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，包括將農(nóng)作物秸稈進(jìn)行機(jī)械粉碎得到第一產(chǎn)物；向第一產(chǎn)物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高溫高壓條件下保持15min-35min得到第二產(chǎn)物；將第二產(chǎn)物冷卻，并用堿液調(diào)節(jié)pH值至中性或微堿性得到預(yù)處理產(chǎn)物。采用本發(fā)明的上述農(nóng)作物秸稈光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，將秸稈首先粉碎然后在乙酸的條件下進(jìn)行水解，增大了纖維素原料的比表面積，破壞了纖維結(jié)晶性，使晶體纖維素成為無定型纖維素，并進(jìn)一步打斷部分β-1，4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被水解為木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖。更有利于被光合細(xì)菌作為發(fā)酵產(chǎn)氫的底物直接利用，大大提高了光合產(chǎn)氫的速率和原料的轉(zhuǎn)化率。
【專利說明】農(nóng)作物秸稈光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光合產(chǎn)氫【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知光合細(xì)菌(Photosynthetic bacteria, PSB)在光照的條件下,其菌體光捕獲復(fù)合體上的細(xì)菌葉綠素Bchl和類胡蘿卜素吸收光子后，將能量傳送到光合反應(yīng)中心RC，從而產(chǎn)生一個(gè)高能電子e*，由于光合細(xì)菌只具有光合系統(tǒng)I (PSI)，所以該高能電子只能經(jīng)環(huán)式磷酸化產(chǎn)生ATP或者非環(huán)式磷酸化產(chǎn)生少量ATP和NADH2 (或NADPH2)。光合細(xì)菌的固氮酶利用光合磷酸化產(chǎn)生的ATP及NADH2 (或NADPH2)所提供的H+和e_，并沒有完全將N2還原成NH3,而是有一部分f在氫酶的協(xié)同作用下將H+還原為H2。
[0003]而在我國(guó)年產(chǎn)約7X 109t的農(nóng)作物秸桿，秸桿中富含大量的木質(zhì)纖維素，通過生物發(fā)酵等處理可以轉(zhuǎn)化為可再生糖類資源，而產(chǎn)生的糖類是光合細(xì)菌在發(fā)酵產(chǎn)氫過程中所需的原料底物，成本低收益高，因此在生物產(chǎn)氫的工業(yè)生產(chǎn)中常常被采用。
[0004]但是現(xiàn)有利用秸桿光合作用生產(chǎn)氫氣能源的過程中，由于秸桿本身的物質(zhì)組成中所含有的大量難降解的木質(zhì)素和纖維素組成復(fù)雜的微纖維、結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)等纖維聚合物。這些結(jié)晶結(jié)構(gòu)使纖維素聚合物顯示出剛性和高度水不溶性，非常難于被厭氧微生物利用，因此采用秸桿進(jìn)行產(chǎn)氫的轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)化率非常低，在使用中難以達(dá)到預(yù)期的效果。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的為了彌補(bǔ)上述問題，提供一種能有效改善光合產(chǎn)氫的秸桿的結(jié)構(gòu)成分、使之能較好地被光合細(xì)菌用于發(fā)酵從而實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)氫轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法。
[0006]本發(fā)明提出一種農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，包括如下步驟:
[0007]將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎得到第一產(chǎn)物；
[0008]向所述第一產(chǎn)物加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%_30%的乙酸溶液后置于高溫高壓條件下保持15min_35min得到第二產(chǎn)物；
[0009]將所述第二產(chǎn)物冷卻至25°C左右，并用堿液調(diào)節(jié)pH值至中性或微堿性得到預(yù)處
理產(chǎn)物。
[0010]優(yōu)選地，所述將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎得到第一產(chǎn)物步驟中，第一產(chǎn)物破碎至超微細(xì)度。
[0011]優(yōu)選地，向所述第一產(chǎn)物中加入乙酸溶液的濃度為25%。
[0012]優(yōu)選地，所述第一產(chǎn)物加入20%_30%的乙酸溶液后置于高溫高壓條件下保持31min。
[0013]優(yōu)選地，將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎的同時(shí)加入雙氧水，并在40-60度的溫度下進(jìn)行機(jī)械破碎。[0014]優(yōu)選地,所述機(jī)械破碎為震動(dòng)球磨研磨破碎。
[0015]優(yōu)選地，所述高溫高壓條件為:溫度100°C _130°C、氣壓102kPa_104kPa。
[0016]采用本發(fā)明的上述農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，針對(duì)光合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，原始秸桿中性質(zhì)穩(wěn)定的纖維結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行良好利用的問題，將秸桿首先粉碎然后在乙酸的條件下進(jìn)行水解，增大了纖維素原料的比表面積，破壞了纖維結(jié)晶性，使晶體纖維素成為無定型纖維素，并進(jìn)一步打斷部分β_1，4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被水解為木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖。更利于被光合細(xì)菌作為發(fā)酵產(chǎn)氫的底物直接利用，大大提高了光合產(chǎn)氫的速率和原料的轉(zhuǎn)化率。
【具體實(shí)施方式】
[0017]應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明提供了一種農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法。
[0019]本發(fā)明的農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，基于物理和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,包括如下步驟:
[0020]S10，將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎。
[0021]一般農(nóng)作物秸桿(比如高粱桿、麥桿、稻桿)其本身的體積比較大，其外表面均含有外壁，在有外壁的情形下難以直接被光合細(xì)菌利用，因此首先將農(nóng)作物的秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎。
[0022]上述步驟中可以采用常用的干法粉碎，直接將原料破碎至比較合適的細(xì)度。為了取得更好的效果，本實(shí)施方式中，采用震動(dòng)球磨研磨破碎的方法，將秸桿通過震動(dòng)球磨機(jī)械沖擊中進(jìn)行研磨。通過球磨的震動(dòng)對(duì)秸桿進(jìn)行機(jī)械方式的破碎，相比其他的破碎方法可以使纖維素的結(jié)構(gòu)松散，和使微纖中及微纖間晶區(qū)中存在的分子間氫鍵斷裂，從而使棉纖維的水解速率和糖類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率提高。
[0023]通過對(duì)秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎至使原料的尺寸變小，一方面增大了纖維素原料的比表面積，另一方面破壞了其結(jié)晶性，經(jīng)粉碎的纖維素粉末沒有膨脹性，體積小，可以提高基質(zhì)濃度，更加利于光合細(xì)菌的利用。
[0024]S20，將秸桿經(jīng)機(jī)械粉碎后的第一產(chǎn)物加入濃度為20%_30%的乙酸后，在高溫高壓環(huán)境下保持15min_35min。
[0025]在實(shí)際中，是將秸桿機(jī)械粉碎后的產(chǎn)物加入上述比例的乙酸溶液至濕潤(rùn)的程度，然后在置入高壓滅菌鍋中保持15min-35min，一般高壓滅菌鍋中的溫度100°C _13°C、壓力為 102kPa-104kPa。
[0026]將上述粉碎后的秸桿產(chǎn)物進(jìn)行高溫高壓處理，由于添加了乙酸，那么在高溫高壓處理的過程中，秸桿中的纖維素、半纖維`素等等會(huì)在酸性條件下發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生還原性糖類物質(zhì)用于光合細(xì)菌發(fā)酵過程中的底物和原料，直接被光合細(xì)菌利用。同時(shí)更加主要地，乙酸這一物質(zhì)本身可以作為光合細(xì)菌產(chǎn)氫的底物和催化，比如沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)可以直接以乙酸為底物進(jìn)行光合產(chǎn)氫的原料進(jìn)行反應(yīng),且反應(yīng)的速率和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率比較高。
[0027]同時(shí)，經(jīng)過該步驟處理，還能將秸桿中本身存在的其他雜菌滅除，以防止在發(fā)酵過程中對(duì)光合細(xì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制干擾。[0028]S30，將步驟S20處理之后的第二產(chǎn)物冷卻，并用堿液調(diào)節(jié)pH值至中性或者微堿性。
[0029]由于在步驟S20中獲取的第二產(chǎn)物中，由于其還含有一定量的乙酸，在酸性的環(huán)境下，光合細(xì)菌大多無法正常生長(zhǎng)，而不能進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，因此需要進(jìn)行pH值調(diào)整，使產(chǎn)物的化學(xué)環(huán)境適于光合細(xì)菌生長(zhǎng)。
[0030]采用本發(fā)明的上述農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，針對(duì)光合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫過程中，原始秸桿中性質(zhì)穩(wěn)定的纖維結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行良好利用的問題，將秸桿首先粉碎然后在乙酸的條件下進(jìn)行水解，增大了纖維素原料的比表面積，破壞了纖維結(jié)晶性，使晶體纖維素成為無定型纖維素，并進(jìn)一步打斷部分β_1，4-糖苷鍵，降低聚合度；半纖維素被水解為木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等單糖。更加利于被光合細(xì)菌作為發(fā)酵產(chǎn)氫的底物直接利用，大大提高了光合產(chǎn)氫的速率和原料的轉(zhuǎn)化率。
[0031]進(jìn)一步地，在上述實(shí)施方式中，步驟SlO中將秸桿原料破碎至超微的細(xì)度，因?yàn)槌鲇谏鲜銎茐睦w維結(jié)構(gòu)和增加光合細(xì)菌發(fā)酵中接觸的立意，本發(fā)明中分別采取將同樣質(zhì)量(每次5g，重復(fù)3次)的秸桿原料機(jī)械破碎至120目、150目、180目和超微的細(xì)度，按照上述預(yù)處理之后的產(chǎn)物取相同的質(zhì)量的預(yù)處理產(chǎn)物，用堿性酒石酸銅液滴定法進(jìn)行還原性糖的量的測(cè)試結(jié)果如下表1。
[0032]表1:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，其特征在于，包括如下步驟: 將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎得到第一產(chǎn)物； 向所述第一產(chǎn)物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高溫高壓條件下保持15min-35min得到第二產(chǎn)物； 將所述第二產(chǎn)物冷卻，并用堿液調(diào)節(jié)PH值至中性或微堿性得到預(yù)處理產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，其特征在于，所述將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎得到第一產(chǎn)物步驟中，第一產(chǎn)物破碎至超微細(xì)度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，其特征在于，向所述第一產(chǎn)物中加入乙酸溶液的濃度為25%。
4.如權(quán)利要要求I或2所述的農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，其特征在于，所述第一產(chǎn)物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高溫高壓條件下保持31min。
5.如權(quán)利要求2所述的農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，其特征在于，將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行機(jī)械粉碎的同時(shí)加入雙氧水，并在溫度為40°C _60°C下進(jìn)行機(jī)械破碎。
6.如權(quán)利要求5所述的農(nóng)作物稻桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法,其特征在于，所述機(jī)械破碎為震動(dòng)球磨研磨破碎。
7.如權(quán)利要求4所述的農(nóng)作物秸桿光合產(chǎn)氫的預(yù)處理方法，其特征在于，所述高溫高壓條件為:溫度 100°c - 130°c、氣壓 102kPa-104kPa。
【文檔編號(hào)】C12R1/01GK103667360SQ201310639170
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】曾德芳, 唐宏泉, 嚴(yán)歡, 陳玉國(guó), 蔡振華 申請(qǐng)人:武漢惠農(nóng)樂植物營(yíng)養(yǎng)科技有限公司