植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法技术

本发明专利技术公开一种植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法，涉及植物秸秆全组分综合利用领域，包括：将经过切段的植物秸秆依次进行汽爆前后的两次洗涤处理，汽爆处理，挤压处理，破碎处理，预酶解处理，裂解处理，酶解处理，最后得到用于制备生物燃料的预产物，洗涤处理和挤压处理后得到的秸秆洗涤液和挤出液用于生产沼气，预产物经过处理以后可以得到液体、气体和固体生物质燃料。本发明专利技术方法实现了植物秸秆全部组分，即半纤维素、纤维素、木质素、少量组分的分离和高值化全利用，可以达到无污染物排放，易于产业化操作，经济效益良好，综合社会效益显著。

【技术实现步骤摘要】
植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法
本专利技术涉及一种植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法，具体地说，涉及植物秸秆预处理后各组分综合利用，制备燃料乙醇、生物天然气、高热值固体木质素燃料的方法。
技术介绍
我国可利用的生物质资源丰富，仅农作物秸秆每年产量可达6亿吨之多，农作物生长周期短、产量丰富，因此包括农作物在内的植物秸秆是一种真正意义上取之不尽的可再生生物质资源，然而，植物体在进化过程中，其内部形成了很强的微生物抗拒机制，如直接制成生物质能源，不但利用率低，而且还造成资源浪费，因而只有经过预处理，才能提高酶解效率，并被微生物利用，制成生物质燃料。植物秸秆是由纤维素、半纤维素和木质素三大组分及其他少量组分组成的生物质。其中，半纤维素是种杂多糖物质，由两种以上单糖或糖醛酸基组成的含有支链的复合多糖，聚合度比纤维素低，与纤维素分子只有氢键连接和物理混合，无化学键结合，也是构成细胞壁的主要成分，降解后可被微生物利用生产各种发酵产品，如沼气、油脂、丁醇、乙醇等，同时也可生产糠醛、低聚木糖等产品；纤维素是由葡萄糖基构成的直链状高分子化合物，是组成细胞壁的主要成分，降解成葡萄糖后可微生物发酵成产品，如乙醇、丁醇、乳酸、油脂等；木质素是植物中除少数单宁(多元酚化合物)物质外，唯一的芳香族高分子化合物，有分支的具有三度空间的网络状分子，是无定形的，与半纤维素有化学键连接，木质素结构复杂，化学性质不稳定，对化学品和气体具有较强的吸收能力，比表面积180m2/g，反应能力很强。木质素主要充填在细胞之间及细胞壁内微细纤维之间，使植物体具有刚性，可用于生产树脂、地膜、粘合剂、橡胶添加剂和药物缓释剂等，也可直接作为高热值生物质固体燃料使用；少量组分是无机盐类、糖、植物碱、环多醇、树脂、脂肪、单宁、色素，以及多糖类物质如胶质、植物粘液、淀粉、果胶质、多乳糖等。目前，本领域对植物秸秆原料的利用，大部分研究局限于利用其单一组分为目标，其余组分低值利用甚至作为废弃物处理，没有发挥各组分的资源优势，难以产生经济效益甚至造成严重污染，如造纸工业只利用纤维素组分，其生产工艺以获得高品质纤维素为目标，在生产过程中半纤维素和木质素受到严重破坏，不但无法高值化利用，而且造成环境污染。例如被广泛关注的将植物秸秆原料用于沼气发酵，虽然可以将秸秆全部用于沼气发酵，但仍然存在以下问题：一是微生物降解速率慢，产气周期长，效率低下；二是秸秆原料上浮，与微生物接触比表面积小，反应速度缓慢，同时，漂浮原料结壳阻止沼气逸出；三是大多采用传统的地窖池发酵，无法控制发酵温度和产气速率，出现夏天产气多，冬天产气少或不产气现象。为了解决利用秸秆进行沼气发酵的问题，本领域技术人员开发出各种植物秸秆发酵沼气的生物反应器和生产工艺，例如申请号为200510016826.8公开的“连续进排料沼气干发酵装置及增保温方法”；申请号为200810141177.8公开的“一种利用秸秆干式发酵生产沼气的工艺”等；然而这些工艺都是以植物秸秆原料整体进行沼气发酵，而不是根据各组分的不同性质分别利用，导致效率低、利用率低，废料无法再利用，产生二次污染的问题。因此，本领域中迫切需要改善植物秸秆原料预处理方法，实现全组分的综合利用，从而既能解决现有工艺中无法整体利用植物秸秆原料，导致经济效益低下和二次污染的问题；又能解决现有技术在植物秸秆原料全组分利用中，使用有机溶剂和化学品，带来的整体投入大、溶剂回收设备工艺复杂等问题。可见，预处理效果直接决定了植物秸秆被酶及微生物转化为生物质燃料的品质和效率，一般高品质的生物质燃料，可以直接替代日益稀缺的化石燃料。秸秆预处理的方法，大致可分为物理法(研磨、粉碎)、爆破法(蒸汽爆破、超临界二氧化碳爆破、氨法爆破等)、酸处理法(包括稀酸、浓酸，有硫酸、盐酸、亚硫酸及有机酸)、碱法(包括氢氧化钠、碱性过氧化氢、氨水)、有机溶剂法(甲醇、乙醇、丁醇、苯等)、生物处理法等。而目前主要以酸处理、碱处理、蒸汽爆破等方法为主，其普遍具有的特征是工艺方便，效果显著，但这些方法也各有不足，例如，酸法处理往往要求较高酸浓度和反应温度，增加了反应器的成本，残余化学添加物与原料分离困难，对环境的友好性较差，预处理过程中易产生毒性副产物，会对后续酶解发酵产生抑制作用等；碱法预处理，需要加入碱制剂，不仅增加了成本，同时，所产生的碱废液难以被处理，环境负担大；蒸汽爆破方法，一般有酸爆、碱爆、中性汽爆，中性汽爆除使用蒸汽外无其他化学物质的添加，副产物产生量较小。汽爆能够降低物料的颗粒大小，使其变得疏松多孔，加快酶解过程。但植物秸秆直接使用蒸汽爆破预处理，会产生较多的酶解发酵抑制物，物料酶解后糖收率较低。公开的CN1424459A及CN1680413A专利，利用1.4-丁二醇等有机溶剂的高沸点、易回收循环利用等优点，通过加热加压使木质素从纤维素上脱离溶解于溶剂中，实现木质素与纤维素的分离，但1.4-丁二醇价格较高，回收循环系统复杂，因而存在成本高，难以实现工业化生产的技术问题。公开的CN1806945A专利，微波辅助离子液预处理汽爆麦草后，48-72h纤维素酶解率可达到100％，但由于离子液的合成工艺复杂，合成成本较高，同样存在成本高，难以实现工业化生产的技术问题。公开的CN102051383A专利文件提供一种汽爆处理木质纤维素原料联产沼气、纤维素和木质素的方法，虽然对其组分进行了分离，但是在汽爆过程中低分子量水溶物挥发损失，并发生热化学变化，产生酶解发酵抑制物，导致物料酶解后糖收率较低，并且由于纤维素与木质素的分离使用了碱性溶液进行处理，因而对碱溶液浓度、碱提取温度、碱提取时间要求较高，对设备要求也较高，并产生碱性难降解废水，因而该方法存在成本高，木质素制备方法复杂，废水处理难度大等技术问题，不利于推广和应用。公开的CN101148830A专利提供了一种使用木质纤维素原料—秸秆的蒸汽汽爆-微波耦合甘油的处理方法，虽然对其组分进行了分离，但是该专利技术对于秸秆处理使用了有机溶剂甘油，增加了投入成本，且甘油的回收方法也比较复杂，增加了回收设备的要求，不利于推广和应用。综上所述，现有的植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法，仍有待进一步改进，特别是要充分考虑各组分的生化特性，高效率的转化为液体、气体、固体生物质燃料，并且整个生产过程不加化学品，环境友好。
技术实现思路
本专利技术提供了一种植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法，整个技术路线无需使用化学品，可实现植物秸秆原料全组分综合利用，高效率的转化为液体、气体、固体生物质燃料，生产过程无污染、低能耗，大大提高了植物秸秆原料综合利用效率和效益。需要说明的是，本专利技术所说的植物秸秆的全组分包括纤维素、半纤维素、木质素及其他少量组分。其中，所述少量组分包括水溶性无机盐类、糖、植物碱、环多醇、树脂、脂肪、单宁、色素，以及多糖类物质，如胶质、植物粘液、淀粉、果胶质、多乳糖等。为实现本专利技术的目的，本专利技术提供一种植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法，包括：将经过切段的植物秸秆进行去除包括低分子量水溶性物质的洗涤处理，得到秸秆洗涤液和含有少量低分子量水溶性物质的秸秆物料；通过将含有少量低分子量水溶性物质的秸秆物本文档来自技高网...

【技术保护点】
植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法，其特征在于，包括：将经过切段的植物秸秆进行去除包括低分子量水溶性物质的洗涤处理，得到秸秆洗涤液和含有少量低分子量水溶物质的秸秆物料；通过将含有少量低分子量水溶性物质的秸秆物料进行汽爆处理，减少汽爆处理中产生的酶解发酵抑制物，得到酶解发酵抑制物含量减少的汽爆物料；对所述酶解发酵抑制物含量减少的汽爆物料进行稀释并挤压处理，挤出物料中的酶解发酵抑制物，得到挤出了酶解发酵抑制物的挤压物料和挤出液；破碎所述挤压物料后，进行预酶解处理，得到预酶解物料；对所述预酶解物料进行裂解处理，得到进一步破碎的预酶解物料；将进一步破碎后的预酶解物料酶解后，得到用于制备生物质燃料的预产物。

【技术特征摘要】
1.植物秸秆全组分综合利用制备生物质燃料的预处理方法，其特征在于，包括：将经过切段的植物秸秆进行去除包括低分子量水溶性物质的洗涤处理，得到秸秆洗涤液和含有少量低分子量水溶物质的秸秆物料；通过将含有少量低分子量水溶性物质的秸秆物料进行汽爆处理，减少汽爆处理中产生的酶解发酵抑制物，得到酶解发酵抑制物含量减少的汽爆物料；对所述酶解发酵抑制物含量减少的汽爆物料进行稀释并挤压处理，挤出物料中的酶解发酵抑制物，得到挤出了酶解发酵抑制物的挤压物料和挤出液；破碎所述挤压物料后，进行预酶解处理，得到预酶解物料；对所述预酶解物料进行裂解处理，得到进一步破碎的预酶解物料；将进一步破碎后的预酶解物料酶解后，得到用于制备生物质燃料的预产物。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述洗涤处理是使用温度为25-100℃的循环水对植物秸秆进行洗涤。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述汽爆处理包括：将含有少量低分子量水溶性物质的秸秆物料进行脱水挤压处理，除去秸秆物料的大部分水分，使脱水后的秸秆物料撕裂并压实，得到脱水挤压物料；将脱水挤压物料送入汽爆罐中进行汽爆，得到汽爆物料。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挤压处理包括：将汽爆物料泄压后，进行稀释处理，使包括酶解发酵抑制物...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文斌，刘同林，唐世芹，赵永杰，费东，安德元，许爱军，
申请(专利权)人：北京利晟新能生物科技中心有限合伙，
类型：发明
国别省市：北京,11