專(zhuān)利名稱:一種球磨耦合微波預(yù)處理生物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，特別涉及一種球磨耦合微波預(yù)處理生物質(zhì)的方法，主要用于玉米秸桿、小麥秸桿、芒草等多種生物質(zhì)原料的預(yù)處理。
背景技術(shù)：
能源問(wèn)題一直是世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)，隨著石化能源的耗竭及其使用過(guò)程中引起的一系列環(huán)境問(wèn)題，生物質(zhì)作為可再生清潔能源的代表原料，吸引了越來(lái)越多的科研人員的關(guān)注。80年代初在國(guó)際上提出的“生物煉制”(biorefinery)概念，也逐漸成為研究熱點(diǎn)。生物質(zhì)原料中三大組份即纖維素，半纖維素和木質(zhì)素之間的復(fù)雜伴生結(jié)構(gòu)，及其內(nèi)部的氫鍵和其它化學(xué)鍵等的作用，使之難以降解，因此，預(yù)處理已成為生物煉制的關(guān)鍵單元操作 之一。為優(yōu)化生物煉制工藝，研究人員已開(kāi)發(fā)和嘗試了一系列的預(yù)處理方法，如采用酸、堿、汽爆、水熱、等離子體、微波、超聲、離子液體等。
正由于生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，單一的預(yù)處理方法往往難以取得較好的效果，不能滿足生物煉制的需求，因此，有必要進(jìn)一步拓展新的預(yù)處理思路，開(kāi)發(fā)復(fù)合高效的預(yù)處理方法。鑒于此,研究人員已開(kāi)發(fā)出一些復(fù)合預(yù)處理方法,如公開(kāi)號(hào)為CN101608412A的專(zhuān)利公布了一種微波-汽爆同步耦合法對(duì)植物秸桿去晶化的方法。該方法處理周期短，提高了纖維素去晶化率和酶的可及性，從而提高了秸桿的酶解率。公開(kāi)號(hào)為CN102443659的專(zhuān)利公布了一種秸桿高效糖化的酸堿組合預(yù)處理方法。該方法采用酸堿組合預(yù)處理方法，秸桿利用率高，纖維素酶解效果好。公開(kāi)號(hào)為CN102230284A的專(zhuān)利公布了一種用于農(nóng)作物秸桿纖維素提取的超聲波輔助汽爆預(yù)處理工藝，該方法可較好的分離秸桿的纖維素。
以上公布的這些復(fù)合預(yù)處理方法進(jìn)一步拓寬了生物質(zhì)預(yù)處理的發(fā)展，但或是高能耗或是化學(xué)試劑等因素的限制，使得這些預(yù)處理方法走向工業(yè)化還需要考證。正基于此，探究新的高效綠色的預(yù)處理方法對(duì)生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化尤為重要。已有的單一預(yù)處理方法中，微波預(yù)處理具有熱效率高、易操作、方便和無(wú)污染等特點(diǎn)，球磨預(yù)處理具有高效的破壞生物質(zhì)內(nèi)部之間的伴生結(jié)構(gòu)，斷裂氫鍵等化學(xué)鍵，降低結(jié)晶度等特點(diǎn)。所以，球磨耦合微波預(yù)處理有可能是一種高效的預(yù)處理方法，且該方法無(wú)需引入酸或堿等化學(xué)試劑，綠色無(wú)污染。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是為提供一種高效綠色可行的耦合生物質(zhì)預(yù)處理方法，為生物質(zhì)預(yù)處理的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供一種新的思路。
本發(fā)明的構(gòu)思
預(yù)處理單元操作是生物煉制工藝的關(guān)鍵之一，而生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單一的預(yù)處理方法往往難以較好發(fā)揮作用，破壞原料的伴生結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的氫鍵等，使得酶對(duì)原料的可及性提高幅度不大，不利于生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化。而現(xiàn)已有的復(fù)合預(yù)處理方法或是由于高能耗、或是由于設(shè)備要求高、或是由于化學(xué)試劑的大量使用等因素的限制，使之進(jìn)一步走向工業(yè)化存在一定的困難。本發(fā)明提出的球磨耦合微波預(yù)處理方法結(jié)合了球磨具有聞效破壞生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和微波具有熱效率聞，易操作，方便和無(wú)污染等特點(diǎn)，可避免化學(xué)試劑的引入，是一種高效綠色可行的預(yù)處理方法，也為生物質(zhì)的進(jìn)一步高效轉(zhuǎn)化提供了可能。
本發(fā)明技術(shù)方案
本發(fā)明的基本特征如下
(I)將生物質(zhì)原料干燥后初步粉碎成顆粒狀(2-10mm)備用；(2)取(I)中的原料適量,用球磨機(jī)進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)速為500-1500rpm,罐球比(罐的數(shù)量研磨小球的數(shù)量)為I :20-50,處理時(shí)間為10min-3h ；
(3)取(2)中處理后的物料，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比(原料質(zhì)量自來(lái)水質(zhì)量)為I :50-1 :5，溫度控制在100-150°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為100-300rpm，處理時(shí)間為 5-30min ；
(4)物料經(jīng)(3)處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)瑲堅(jiān)糜诿附狻?br>本發(fā)明方案中的生物質(zhì)原料是指玉米秸桿、小麥秸桿、芒草、藻類(lèi)、硬木、軟木等能源植物。方案中的初步粉碎是指使用粉碎機(jī)將原料粉碎成2-10mm的顆粒，球磨機(jī)是指行星式球磨機(jī)、攪拌球磨機(jī)、管式球磨機(jī)等，微波預(yù)處理是指采用能控制溫度，帶有攪拌功能的微波化學(xué)反應(yīng)器，耦合是指將生物質(zhì)先經(jīng)球磨在轉(zhuǎn)速為500-1500rpm，罐球比(罐的數(shù)量研磨小球的數(shù)量)為I :20-50的條件下處理10min-3h，再經(jīng)微波在固液比(原料自來(lái)水)為I :50-1 :5，溫度控制在100-150°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為100-300rpm的條件下處理5_30mino
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)首次將球磨與微波耦合用于生物質(zhì)預(yù)處理，充分結(jié)合了球磨具有高效破壞生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)，尤其斷裂氫鍵，降低結(jié)晶度的特點(diǎn)和微波具有熱效率高，易操作，方便和無(wú)污染等特點(diǎn)，避免了酸或堿等化學(xué)試劑的引入，使得該預(yù)處理工藝具有高效、可行、綠色無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不用于限定本發(fā)明的權(quán)利要求
范圍。
實(shí)施例I
(I)將玉米秸桿干燥后初步粉碎成顆粒狀(約8mm)備用；
(2)取(I)中的物料500g，用球磨機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速為500rpm,罐球比(罐的數(shù)量研磨小球的數(shù)量)為I :20,處理時(shí)間為IOmin ；
(3)取(2)中處理后的物料500g，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比(原料自來(lái)水)為I :50，溫度控制在100°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為lOOrpm，處理時(shí)間為5min ；
(4)物料經(jīng)(3)處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)?，殘?jiān)糜诿附狻?br>預(yù)處理后的殘?jiān)繛?0%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解24h后，纖維素的酶解率為65%。相對(duì)應(yīng)未經(jīng)微波處理的玉米秸桿，其酶解率只有 32%。
實(shí)施例2
(I)將小麥秸桿干燥后初步粉碎成顆粒狀(約4mm)備用；
(2)取(I)中的物料500g，用球磨機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速為800rpm,罐球比(罐的數(shù)量研磨小球的數(shù)量)為I :30,處理時(shí)間為25min ；
(3)取(2)中處理后的物料500g，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比(原料自來(lái)水)為I :30，溫度控制在120°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為150rpm，處理時(shí)間為IOmin ；
( 4 )物料經(jīng)(3 )處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)?，殘?jiān)糜诿附狻?br>預(yù)處理后的殘?jiān)繛?3%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解24h后，纖維素的酶解率為70%。相對(duì)應(yīng)未經(jīng)微波處理的小麥秸桿，其酶解率只有 35%。
實(shí)施例3
( I)將芒草干燥后初步粉碎成顆粒狀(約6_)備用；
(2)取⑴中的原料500g，用球磨機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速為IOOOrpm,罐球比(罐的數(shù)量 研磨小球的數(shù)量)為I :35,處理時(shí)間為2h ；
(3)取(2)中處理后的物料500g，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比(原料自來(lái)水)為I :25，溫度控制在130°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為200rpm，處理時(shí)間為20min ；
(4)物料經(jīng)(3)處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)?，殘?jiān)糜诿附狻?br>預(yù)處理后的殘?jiān)繛?8%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解24h后，纖維素的酶解率為66%。相對(duì)應(yīng)未經(jīng)微波處理的芒草，其酶解率只有32%。
實(shí)施例4
(I)將速生楊干燥后初步粉碎成顆粒狀(約2mm)備用；
(2)取(I)中的原料適量500g，用球磨機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速為1500rpm，罐球比(罐的數(shù)量研磨小球的數(shù)量)為I :50,處理時(shí)間為3h ；
(3)取(2)中處理后的物料500g，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比(原料自來(lái)水)為I :5，溫度控制在150°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為300rpm，處理時(shí)間為30min ；
( 4 )物料經(jīng)(3 )處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)?，殘?jiān)糜诿附狻?br>預(yù)處理后的殘?jiān)繛?4%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解24h后，纖維素的酶解率為63%。相對(duì)應(yīng)未經(jīng)微波處理的速生楊，其酶解率只有35%。
實(shí)施例5
(I)將螺旋藻干燥后初步粉碎成顆粒狀(約IOmm)備用；
(2)取(I)中的原料適量500g，用球磨機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速為1500rpm,罐球比(罐的數(shù)量研磨小球的數(shù)量)為I :50,處理時(shí)間為3h ；
(3)取(2)中處理后的物料500g，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比(原料自來(lái)水)為I :5，溫度控制在150°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為300rpm，處理時(shí)間為30min ；
(4)物料經(jīng)(3)處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)?，殘?jiān)糜诿附狻?br>預(yù)處理后的殘?jiān)繛?8%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解24h后，纖維素的酶解率為67%。相對(duì)應(yīng)未經(jīng)微波處理的螺旋藻，其酶解率只有30%。
權(quán)利要求
1.一種球磨耦合微波預(yù)處理生物質(zhì)的方法，其基本特征包括如下步驟 (1)將生物質(zhì)原料干燥后初步粉碎成顆粒狀(2-10mm)備用； (2)取(I)中的原料適量，用球磨機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速為500-1500rpm，罐球比為I:.20-50，處理時(shí)間為10min-3h ； (3)取(2)中處理后的物料，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比為I:50-1 :5，溫度控制在100-150°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為100-300rpm，處理時(shí)間為5_30min ； (4)物料經(jīng)(3)處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)?，殘?jiān)糜诿附狻?br>2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的球磨耦合微波預(yù)處理生物質(zhì)的方法，其特征在于，所述步驟(I)中生物質(zhì)原料粉碎成2-10mm的顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的球磨耦合微波預(yù)處理生物質(zhì)的方法，其特征在于，所述的生物質(zhì)原料是指玉米秸桿、小麥秸桿、芒草、藻類(lèi)、硬木或軟木等能源植物。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的球磨耦合微波預(yù)處理生物質(zhì)的方法，其特征在于，所述的耦合是指將生物質(zhì)先經(jīng)球磨在轉(zhuǎn)速為500-1500rpm，罐球比為I :20-50的條件下處理.10min-3h，再經(jīng)微波在固液比為I :50_1 :5，溫度控制在100_150°C，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為.100-300rpm的條件下處理5_30min。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種球磨耦合微波預(yù)處理生物質(zhì)的方法，其基本特征包括如下步驟(1)將生物質(zhì)原料干燥后初步粉碎成顆粒狀(2-10mm)備用；(2)取(1)中的原料適量，用球磨機(jī)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)速為500-1500rpm,罐球比(罐數(shù)量研磨小球數(shù)量)為120-50，處理時(shí)間為10min-3h；(3)取(2)中處理后的物料，按以下條件進(jìn)行微波預(yù)處理固液比(原料質(zhì)量自來(lái)水質(zhì)量)為150-15，溫度控制在100-150℃，微波反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速為100-300rpm，處理時(shí)間為5-30min；(4)物料經(jīng)(3)處理后，趁熱抽濾，得濾液和殘?jiān)瑲堅(jiān)糜诿附?。本發(fā)明充分結(jié)合了球磨具有高效破壞生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)和微波具有熱效率高、易操作等特點(diǎn)，避免了化學(xué)試劑的引入，使得該預(yù)處理工藝具有高效、綠色無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)B02C17/00GKCN102720083SQ201210190666
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月11日
發(fā)明者彭華棟, 徐建, 李宏強(qiáng), 羅晧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan