本发明专利技术公开了一种微波-循环压缩渗滤稀酸预处理植物秸秆的方法。本发明专利技术预先以稀酸液对秸秆颗粒静置浸润，然后将秸秆颗粒装入柱形反应器内，往反应器内流加稀酸溶液，在流加酸液的同时施加微波作用并压缩秸秆颗粒，排出反应器内液体；固液分离后，重新注入酸液并使秸秆颗粒分散均匀；往反应器内流加上述分离所得滤液，同时施加微波作用并压缩秸秆颗粒，使液体排出反应器；重复上述操作直至反应结束。本发明专利技术通过酸溶液预先浸润秸秆颗粒，并采用滤液循环压缩的方式，降低了酸溶液的浓度和用量，增加了反应产物浓度，同时还提高了反应速度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物化工领域，特别涉及一种微波-循环压缩渗滤稀酸预处理植物秸杆的方法，主要用于玉米秸杆、麦杆、甜高梁杆等多种植物秸杆的预处理。
技术介绍
未经处理的秸杆很难被微生物和酶水解，主要是因为构成秸杆细胞壁的木质纤维素的结构复杂。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素，纤维素分子排列规则，聚集成束，在纤丝构架之间充满了半纤维素和木质素，在它们之间存在着氢键、化学键等，使其结构非常紧密。因此高效利用秸杆组分的关键在于通过对秸杆进行预处理，使纤维素和半纤维素及木质素分离，使结晶纤维素成为无定形纤维素，提高酶的可及性，从而提高秸杆的酶解率。现有的预处理技术主要有研磨法、稀酸法、蒸汽爆破法、碱处理法和生物法等。在这些预处理方法中，稀酸预处理最具有商业化前景，已得到广泛的研究，稀酸预处理可溶解半纤维素。将纤维素原料用1%左右的酸液在110 240°C的温度下经几个小时的处理是人们较常采用的方法，稀酸处理在温度高时所需时间较短。稀酸预处理使用的反应器主要有间歇反应器、渗滤式反应器、逆流收缩床反应器等。NREL采用并流稀酸预处理，硫酸浓度1. 1%，温度190°C，固液比为20%，保留时间2min的处理后，90%半纤维素转化为木糖。但是这种方法耗水量较大，对反应器的耐腐蚀性要求高，会生成乙酸、糠醛、羟甲基糠醛等副产物，需要固液分离、洗涤等才能进行酶解和发酵工段。微波是一种波长在IOOcm至Imm范围内电磁波(其频率在300MHz至300000MHz)，是一种新型的预处理方法。用微波辐射物料，使物料内部分子发生碰撞，产生热量，导致物料升温，从而部分降解木质素和半纤维素，使纤维素结晶区尺寸发生变化，增加纤维素的可及性和反应活性，提高植物纤维素的酶解率。目前，对微波预处理的研究还在实验室阶段。对于植物秸杆原料 的预处理，经常采用多种不同方法的组合处理，以达到效果。CN102010882A公开了一种极限低用水量的木质纤维素高温稀酸预处理方法，该方法用玉米秸杆与5%的硫酸溶液以1:1比例混合，常温浸润后，装入反应器中，通入高温蒸汽，在190°C维持3min后，泻压取出物料即得到处理后物料，酶解72h后葡萄糖得率为83.1 %，木糖得率为59. 4%。CN101608412A公开了一种微波-汽爆耦合法对植物秸杆去晶化的方法，该方法将玉米秸杆放入反应器，通入210°C的蒸汽，开启微波发生器，微波功率为9000W/kg (干秸杆)连续反应2min后，关闭微波发生器，开启爆破阀，利用压力差将物料瞬间挤出实现汽爆，处理后的秸杆相对结晶度降低了 15. 7%,酶解48h后酶解率达到93. 3%。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种微波-循环压缩渗滤稀酸预处理植物秸杆原料的方法。本专利技术提供的植物秸杆原料预处理方法，包括以下步骤(1)将秸杆粉碎为10 50mm的颗粒，并与酸溶液以液固质量比1: 3 2 :1混合均匀，常温静置浸润一段时间； (2)步骤(I)浸润后的秸杆颗粒装入柱形反应器内，往反应器内流加稀酸溶液，在流加酸溶液的同时对植物秸杆施加微波作用，并压缩秸杆颗粒，及时排出反应器内的液体； (3)重新往反应器内注入酸溶液，通过搅拌使秸杆颗粒重新分散均匀； (4)以一定流率将步骤(2)所得滤液流加到反应器中，流加滤液的同时以微波作用于秸杆颗粒，并压缩秸杆颗粒，使液体排出反应器； (5)重复步骤(3)至(4)的操作O 5次，直至反应结束。根据本专利技术的植物秸杆预处理方法，所述的酸溶液中酸的质量百分浓度为O.02% 2%，优选为O. 02% 1%。所述酸溶液中还可以含有O. 01 O. 3mol/L的无机金属盐化合物，优选硫酸盐或氯化物。适宜的硫酸盐或氯化物可以选自Fe2(SO4)3，FeCl3、CuCl2、NaCl、ZnCl2, MgCl2, CuSO4, Na2SO4, Zn SO4和MgSO4构成的一组物质。所述的无机金属盐化合物在秸杆颗粒的酸解过程中能够起到助催化剂的作用，从而加速秸杆颗粒中纤维素的酸解反应。步骤(I)中所述的常温静置时间通常为几分钟到几天不等，一般为12 24小时。通过对秸杆颗粒预先浸润，可以使酸溶液充分浸润植物秸杆，酸液中的氢离子与水结合生成水合氢离子(H3O+)，它能使半纤维素大分子中糖苷键的氧原子质子化，形成共轭酸，使苷键键能减弱而断裂。 步骤(2)和步骤(4)中所述微波作用的作用方式为，持续以恒定功率的微波作用于秸杆颗粒，或者每隔I 3 min作用I 5 min恒定功率的微波，优选采用后者的作用方式。其中微波作用的功率为100 5000W/Kg干秸杆。通过微波对秸杆颗粒的作用，控制反应器内的反应温度为160°C 200°C。其中步骤(2)中在开始流加稀酸溶液的同时，即启动微波发生器，并压缩秸杆颗粒。所述的压缩秸杆颗粒可以通过反应器内设置的弹力压缩器来实现，当弹力压缩器实现固体与液体的分离后，即完成一次渗滤操作。步骤(2)中所述稀酸溶液的流速率为O. 25 12L/kg干秸杆/min。步骤(3)中，所述注入的酸性溶液以浸没固体秸杆颗粒为宜，所述的搅拌通过反应器内设置的搅拌装置来实现。步骤(3)中使秸杆颗粒重新分散，并与酸液混合均匀。本专利技术方法中，在所述柱形反应器内上部设置弹力压缩器，下部设置搅拌装置，而在反应器器壁上设置有2 6微波馈口。在步骤(4)中，步骤(I)所得滤液往反应器内的流加速率为O. 5 80 L/kg干秸杆/min。步骤(5)中，当反应时间达到10 40分钟时，反应结束。在本专利技术方法中，其中柱形反应器内的压力一般控制为5 35 atm,反应温度一般控制为160°C 200°C。与现有技术中的秸杆预处理方法相比较，本专利技术的方法具有以下效果 (I)本专利技术通过酸溶液预先静置浸润秸杆颗粒，可以使酸溶液充分浸润植物秸杆，酸液中的氢离子与水结合生成水合氢离子(H3O+)，它能使半纤维素大分子中糖苷键的氧原子质子化，形成共轭酸，从而使苷键键能减弱而断裂。因此预先浸润可以有效提高酸溶液的反应效率，从而可以降低酸溶液的浓度，提高秸杆颗粒与酸液的固液比，大幅降低预处理过程的酸溶液用量。(2)本专利技术在反应过程中使用微波加热方式和循环压缩渗滤方式，有利于提高秸杆中半纤维素向木糖的转化率，并获得较高的木糖浓度。微波可直接穿透进入物料内部，通过高频电场使物料中的极性分子做高频振动，使物料迅速发热，内部和表面同时升温，加热速度快且均匀，易于控制，能量利用效率高，并且这些分子运动和摩擦会加速化学和物理过程。而循环压缩渗滤可以使水解液和产物及时移出反应器，减少产物的进一步降解，并使固液分离，减少了后续工艺；使其在很高的固液比下进行操作，提高了产物的浓度；循环流加滤液，能够及时移除附着在植物秸杆上的初步降解的微溶的低聚糖，使低聚糖和未水解的植物秸杆通过循环滤液中的水合氢离子(H3O+)继续反应，增加了产物浓度，提高了反应速度。(3)在酸性溶液中加入硫酸盐或氯化物，能够促进酸的催化作用，降低了酸性溶液浓度，也有助于减少生产成本，减少对设备的腐蚀。附图说明图1为本专利技术方法的流程示意图。其中，1-稀酸储罐；2、9、14_泵；3、9、10、15、16_管线；4_反应器；6_弹力压缩器；7-搅拌装置；8本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种植物秸秆原料的预处理方法，包括以下步骤：（1）将植物秸秆粉碎为10～50mm的颗粒，并与酸溶液以液固质量比1∶3～2∶1混合均匀，常温静置浸润一段时间；（2）步骤（1）浸润后的秸秆颗粒装入柱形反应器内，往反应器内流加稀酸溶液，在流加酸溶液的同时对植物秸秆施加微波作用，并压缩秸秆颗粒，及时排出反应器内的液体；（3）重新往反应器内注入酸溶液，通过搅拌使秸秆颗粒重新分散均匀；（4）以一定流率将步骤（2）所得滤液流加到反应器中，流加滤液的同时以微波作用于秸秆颗粒并压缩秸秆颗粒，使液体排出反应器；（5）重复步骤（3）至（4）的操作0～5次，直至反应结束。
【技术特征摘要】
1.一种植物秸杆原料的预处理方法，包括以下步骤 (1)将植物秸杆粉碎为10 50mm的颗粒，并与酸溶液以液固质量比1: 3 2 :1混合均匀，常温静置浸润一段时间； (2)步骤(I)浸润后的秸杆颗粒装入柱形反应器内，往反应器内流加稀酸溶液，在流加酸溶液的同时对植物秸杆施加微波作用，并压缩秸杆颗粒，及时排出反应器内的液体； (3)重新往反应器内注入酸溶液，通过搅拌使秸杆颗粒重新分散均匀； (4)以一定流率将步骤(2)所得滤液流加到反应器中，流加滤液的同时以微波作用于秸杆颗粒并压缩秸杆颗粒，使液体排出反应器； (5)重复步骤(3)至(4)的操作O 5次，直至反应结束。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的酸溶液的质量百分浓度为O.02% 2%。3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的酸溶液的质量百分浓度为O. 02% 1%。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的酸溶液中还含有O.01 O. 3mol/L的无机金属盐化合物。5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(I)中所述的常温静置时间为12 24小时。6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐开宇，黎元生，张全，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：
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