一种木质纤维素原料的预处理方法技术

本发明专利技术公开了一种木质纤维素原料的预处理方法，该方法包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料进行粉碎，粉碎后粒径为40～60目，压缩成型；(2)将步骤(1)所得的木质纤维素原料置于密闭反应器中，恒温条件下向反应器中通入二氧化碳，然后保压4～6h后降至常压，降压时间为16～20min。本发明专利技术利用超临界状态下二氧化碳超强的溶解渗透能力，在恒温恒压条件下使二氧化碳渗入到粉碎压制成型的纤维素小颗粒的网状晶体结构中，然后通过泄压使二氧化碳逸出，破坏纤维素的晶体结构以及纤维素、半纤维素和木质素之间的共价键和氢键等强相互作用，从而使纤维素、半纤维素和木质素分离。

Pretreatment method of lignocellulose material

The pretreatment method of the invention discloses a lignocellulosic feedstock, the method comprises the following steps: (1) the lignocellulosic materials are crushed, crushed grain size of 40 ~ 60 mesh compression molding; (2) the step (1) of the lignocellulosic materials placed in a closed reactor, constant temperature next to the reactor with carbon dioxide, then the pressure after 4 ~ 6h to atmospheric pressure, pressure time is 16 ~ 20min. Penetration of dissolved carbon dioxide super supercritical state by using the invention, at constant temperature and pressure under the condition of the carbon dioxide into the crystal structure of cellulose particles crushing small mesh pressing in, then through the pressure relief to make carbon dioxide from destruction, the crystal structure of cellulose and cellulose, hemicellulose and lignin between covalent bond and hydrogen bond the strong interaction, so that the cellulose and hemicellulose and lignin separation.

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维素原料的预处理方法
本专利技术属于生物化工
，具体涉及一种木质纤维素生产燃料乙醇的预处理方法，尤其涉及一种无需催化剂及共溶剂、高效的木质纤维素生产燃料乙醇的预处理方法。
技术介绍
随着“后化石能源时代”的悄然而至，各国在可再生能源领域研究探索的力度达到空前水平。其中燃料乙醇以其原材料来源丰富、生产工艺相对成熟简单等特点成为众多国家优先发展的可再生能源。然而目前燃料乙醇多以高附加值的淀粉质粮食作物作为原材料，其直接后果导致世界范围内尤其是发展中国家的粮食安全及能源安全问题严重恶化。而木质纤维素类生物质是世界上唯一可预测的能为人类提供物质和燃料的可持续资源。我国每年的农林废弃物总共约15亿吨，按4吨产1吨乙醇计算，具有生产3.75亿吨乙醇的资源潜力。然而，木质纤维素结构复杂，其主要成分为木质素、半纤维素、纤维素，其中半纤维素以共价键的形式与木质素交联并形成网状结构，此结构物再以氢键的形式使纤维素穿插其中，最终形成一种异常稳定的结构，使其对微生物降解及物理化学等因素具有较强抗性，这种结构使后续利用纤维素酶将其转化为可发酵糖的效率极为低下，因此木质纤维素预处理是整个木质纤维素制备乙醇众多技术环节中的重中之重。传统的预处理主要分为粉碎法、酸碱处理法以及氨汽爆法和生物法，各有优缺点。粉碎法可以有效降低纤维素的聚合度，但能耗高，约占纤维素糖化过程总能耗的50％以上，对后续酶解过程的提高幅度很小。中国专利CN200810020226.2、200810020227.7和CN200810020228.1公开了一种酸预处理木质纤维素的方法，有效地提高纤维素、半纤维素转化率和木质素的除去。但所用的稀酸在常温下预处理效果较差，一般需要将温度提高到100℃以上才有较明显的效果，而所用的酸也需要回收或中和，增加了工艺复杂程度。与酸预处理法相比，碱预处理法处理温度较低，能耗较小(中国专利CN200810023926.7即为碱处理法)，但考虑到环保问题，后续处理仍需要中和或回收处理。中国专利CN200710130844.8公开了一种氨液浸泡+真空爆破对木质纤维素原料进行预处理的方法，经过处理的原料比未经处理的原料产气量提高70％，很好地提高了预处理效果。但经汽爆处理后半纤维素损失可达50％以上，大大降低了原料利用率和糖收率。而生物法反应条件温和、安全环保、能耗低，但周期长、效率低，难以工业生产，且添加的共溶剂对后续酶解、发酵过程中酶和菌活性都会产生影响。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提出一种木质纤维素原料的预处理方法，以解决现有技术预处理方法中添加催化剂、共溶剂等对后续酶解、发酵过程中酶和菌活性产生影响的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提出一种木质纤维素原料的预处理方法，该方法包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料进行粉碎，粉碎后粒径为40～60目，压缩成型；以及(2)将步骤(1)所得的木质纤维素原料置于密闭反应器中，恒温条件下向反应器中通入二氧化碳，然后保压4～6h后降至常压，降压时间为16～20min。本专利技术所述的木质纤维素原料的预处理方法，其中，所述木质纤维素原料优选为农作物秸秆、木屑或玉米芯。本专利技术所述的木质纤维素原料的预处理方法，其中，所述步骤(1)中木质纤维素原料粉碎后粒径优选为50～60目。本专利技术所述的木质纤维素原料的预处理方法，其中，所述步骤(1)中木质纤维素原料压缩成型后的密度优选为300kg/m3～350kg/m3。本专利技术所述的木质纤维素原料的预处理方法，其中，步骤(2)中所述恒温优选为28～32℃中任一温度。本专利技术所述的木质纤维素原料的预处理方法，其中，优选的是，所述步骤(2)中通入二氧化碳至压力为6～8Mpa。本专利技术所述的木质纤维素原料的预处理方法，其中，所述步骤(2)中保压时间优选为5～6h。本专利技术所述的木质纤维素原料的预处理方法，其中，所述步骤(2)中降压时间优选为16～18min。本专利技术的有益效果：(1)可完全打破木质纤维素的结晶结构，实现纤维素、半纤维素和木质素的有效分离，达到预处理目的。(2)不需添加催化剂，无催化剂后续处理回收过程，工艺简单。(3)不需添加醇类、醛类等共溶剂，减少了共溶剂对后续酶解、发酵过程中酶和菌活性的影响。(4)无酸碱废物排放，对环境无污染。具体实施方式以下对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。本专利技术针对传统预处理方法存在的问题，提供了一种木质纤维素的预处理方法，具有停留时间短、生产效率高、产物抑制小、转化率高等优点，能够克服传统技术高污染以及生物技术产物抑制作用强等问题。具体而言，为实现本专利技术的技术目的，本专利技术的技术方案为：首先，将木质纤维素原料晾干后切成小段，然后用粉碎机进行粉碎，粉碎后粒径为40～60目，之后压缩成型。然后，将上述所得的木质纤维素原料置于密闭反应器中，恒温条件下向反应器中通入二氧化碳至某一恒压，然后保压4～6h后迅速降至常压，降压时间为16～20min。上述的木质纤维素的原料为农作物秸秆、木屑、玉米芯等。上述的反应器恒温温度为28～32℃中任一温度。上述的二氧化碳压力为6～8Mpa。上述保压时间优选为5～6h。上述的保压后降压至常压的时间优选为16～18min。本专利技术利用超临界状态下二氧化碳强的溶解渗透能力，使二氧化碳渗入到木质纤维素稳定的网状结晶结构中，通过泄压后二氧化碳快速逸出，破坏纤维素的晶体结构以及纤维素、半纤维素和木质素之间的共价键和氢键等强相互作用，从而使纤维素、半纤维素和木质素分离。通过控制处理温度、压力、保压时间和泄压速度可实现对预处理效果的调控，达到最佳的处理效果。而二氧化碳可以重复循环利用。实施例1以玉米秸秆为原料，用粉碎机粉碎为40～60目的小颗粒，然后用颗粒成型机压制成直径约4mm、长约6mm的小颗粒，使得秸秆的密度由80kg/m3提高到300kg/m3。然后，将压缩过的秸秆颗粒装填到预处理罐中，移至30℃已恒温的加热套中，通入二氧化碳，将罐中的空气置换出后关紧放气阀门。继续注入二氧化碳至压力为6MPa，停止注入二氧化碳，关闭进气阀门，恒温保压4h，然后快速泄压至常压，泄压时间控制在16min。按12：1的重量比例向预处理产物中加入水，恒温30℃搅拌30min。取溶液经过过滤后对滤液进行分析，采用岛津高效液相色谱-质谱联用仪测定其中的木糖、乙酸、糠醛等成分的浓度，具体数据见表1。表1实施例1滤液成分分析结果木糖乙酸糠醛浓度，wt.％1.80.120.15实施例2将实施例1中压缩过的秸秆颗粒装填到预处理罐中，移至32℃已恒温的加热套中，通入二氧化碳，将罐中的空气置换出后关紧放气阀门。继续注入二氧化碳至压力为7MPa，停止注入二氧化碳，关闭进气阀门，恒温保压6h，然后快速泄压至常压，泄压时间控制在20min。按12：1的重量比例向预处理产物中加入水，恒温30℃搅拌30min。取溶液经过过滤后对滤液进行分析，采用岛津高效液相色谱-质谱联用仪测定其中的木糖、乙酸、糠醛等成分的浓度，具体数据见表2。表2实施例2滤液成分分析结果木糖乙酸糠醛浓度，wt.％2.20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料进行粉碎，粉碎后粒径为40～60目，压缩成型；以及(2)将步骤(1)所得的木质纤维素原料置于密闭反应器中，恒温条件下向反应器中通入二氧化碳，然后保压4～6h后降至常压，降压时间为16～20min。

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将木质纤维素原料进行粉碎，粉碎后粒径为40～60目，压缩成型；以及(2)将步骤(1)所得的木质纤维素原料置于密闭反应器中，恒温条件下向反应器中通入二氧化碳，然后保压4～6h后降至常压，降压时间为16～20min。2.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述木质纤维素原料为农作物秸秆、木屑或玉米芯。3.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中木质纤维素原料粉碎后粒径为50～60目。4.根据权利要求1所述的木质纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳，李建忠，孙洪磊，侯丹，齐泮仑，何皓，雪晶，张家仁，孙立明，李萌萌，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11