專利名稱：生物質梯度氣相蒸煮預處理方法
技術領域：
本發明屬于生物質原料高值利用領域，特別涉及生物質梯度氣相蒸煮預處理方法。
背景技術：
生物質指所有通過光合作用將太陽能和二氧化碳轉化而形成的有機物質，或光合產物間接形成的動物物質及其代謝物。包括農產品及農作物秸稈、木材及木材廢料、動物廢料、城鎮垃圾及水生植物等。其中，木質纖維素類生物質的產量最大。全球每年由光合作用產生的木質纖維素總量約為1000億噸。木質纖維素原料再生速度快，每年約固定2X1011 噸碳，內含3X IO21J能量，相當于600億至800億噸石油，即全世界每年石油總產量的20至 27倍。生物質轉化是世界上最大的碳循環之一，生物基產品的生產和應用對于緩解人類資源、能源危機和日益嚴峻的環境污染問題具有舉足輕重的作用。世界各國已經認識到要實現人類社會的可持續發展，必須利用可再生的生物質資源取代石油資源，生產人類所需的能源、材料、化學品和其他物品。在這種背景下，各國科學家和工程師正在不停的努力開發新的技術，降低生物基產品的生產成本，增加生物基產品的應用范圍。生物基產品的不斷開發和生產對于減少對化石資源的依賴性以及改善人類的生存環境和生活質量具有重要的意義。生物質原料廣泛多樣，組分復雜，因此必須先對生物質原料進行預處理，才能進行后續的加工和煉制。針對不同的生物質原料和后續的轉化工藝需求，開發高效低能耗的原料預處理技術是生物質實現生物質高值化利用的關鍵。生物質預處理技術研究是國內外研究的熱點，生物質預處理方法有物理法如粉碎、高能輻射、微波處理和超臨界等；化學法如酸預處理、堿預處理、溶劑處理、臭氧處理等；生物法如用白腐菌等發酵處理；綜合法如汽爆和多種方法綜合預處理。各種預處理方法都有它的優勢和局限性，如物理法價格較高而且很難達到高效酶解發酵的要求，而生物法能耗低但時間過長，工業上很難實現，目前酸預處理和氣爆預處理已用于產業化，酸預處理技術由于對設備要求高、污染嚴重而逐漸被淘汰，氣爆預處理技術無污且能耗較低，是較為理想的技術，但還需進一步完善，如與其他技術組合或汽爆方式的改進等降低能耗和效率。本發明提供的梯度氣相蒸煮預處理生物質的方法，原理是生物質原料首先在較低溫度和壓力的蒸汽環境中處理較長的時間，使物料與氣相介質充分接觸、受熱均勻，經過較長時間G-60min)的低壓蒸煮后繼續充入蒸汽，升高蒸煮壓強和溫度，處理較短的時間 (0. 5-30min)，使生物質與氣相介質的反應進一步進行，因為整體的蒸煮時間延長，保證了蒸煮的均一性。采用氣相蒸煮與液相蒸煮相比減少反應介質的使用量和能量消耗。本方法有以下優勢一、梯度氣相蒸煮使物料在逐漸升高的溫度和壓強條件下與氣相介質充分接觸和反應，保證了反應的均一性；二、可根據生物質特性和目標產物的要求采用不同的氣相介質，包括有機介質和無機介質，有機介質如乙醇、甲醇、乙二醇等，無機介質如水、氯氣等；三、氣相蒸煮方法對于生物質原料和目標產物具有廣譜性，本方法對所有的生物質都適應， 能滿足幾乎所有生物基產品的需要，如能源、材料、化學品、食品、中藥、飼料、肥料、植物纖維等生產的預處理需求。可根據不同的產物導向選擇不同的氣相介質和氣相蒸煮工藝。因此，本方法是一種有廣泛前景的生物質預處理方法。
發明內容
本發明的目的本發明的目的是針對生物質資源化利用需求量日益增大，需開發清潔高效的生物質預處理方法來滿足生物質產業發展的需要的現實問題，提供高效、通用的梯度氣相蒸煮生物質預處理方法。技術方案本發明提供的生物質梯度氣相蒸煮預處理方法，包括高壓氣相蒸煮和低壓氣相蒸煮兩個步驟，具體如下(1)低壓氣相蒸煮將生物質原料放入氣相蒸煮罐，充入氣相介質，在0. 2-0. 7MPa 壓力下氣相蒸煮4-60min ；(2)高壓氣相蒸煮低壓氣相蒸煮完成后，充入氣相介質提高蒸煮溫度和壓力，在 0. 71-2. 8MPa壓力下氣相蒸煮0. 5_30min ；(3)物料的釋放梯度氣相蒸煮處理后物料的釋放有兩種方式，一是將物料與氣相介質一起放出；二是先釋放氣相介質，等氣相介質釋放后再從氣相蒸煮罐中取出物料，根據實際需要進行選擇。技術特點本發明的核心是提供清潔、高效、通用的生物質預處理技術，通過梯度氣相蒸煮預處理生物質，即生物質原料首先在較低溫度和壓力的蒸汽環境中處理較長的時間，使物料與氣相介質充分接觸、受熱均勻，經過較長時間的低壓蒸煮后繼續充入蒸汽，升高蒸煮壓強和溫度，處理較短的時間，使生物質與氣相介質的反應進一步進行，保證了蒸煮的均一性，同時避免了處理條件過高對生物質原料的過度降解。
具體實施例方式實施例1以玉米秸稈酶解發酵為目的的預處理過程如下(1)低壓氣相蒸煮將玉米秸稈原料切割成3-5cm，加水調節水分含量為30%，放入氣相蒸煮罐，充入水蒸汽，在0. 壓力下氣相蒸煮IOmin ；(2)高壓氣相蒸煮低壓氣相蒸煮完成后繼續充入水蒸汽，在l.OMI^a壓力下氣相蒸煮6min，再充入水蒸汽，在1. 5MPa壓力下氣相蒸煮Imin ；(3)物料的釋放及應用梯度氣相蒸煮處理完成后泄壓將水蒸汽和玉米秸稈物料一起釋放，梯度氣相蒸煮處理后的玉米秸稈物料用纖維素酶酶解，在纖維素酶用量為 10FPA/g干物料，pH 4. 8，50°C下酶解4 后，纖維素的酶解率達到86%，酶解得到的糖可用于乙醇、乳酸、丁醇等發酵。實施例2以小麥秸稈提取木質素和纖維素酶解發酵為目的的預處理過程如下(1)低壓氣相蒸煮將小麥秸稈原料切割成3-8cm，放入氣相蒸煮罐，充入乙醇蒸汽，在0. 5MPa壓力下氣相蒸煮Hmin ；
(2)高壓氣相蒸煮低壓氣相蒸煮完成后繼續充入乙醇蒸汽，在1. 壓力下氣相蒸煮6min，完成梯度氣相蒸煮；(3)物料的釋放及應用梯度氣相蒸煮處理完成后泄壓先釋放乙醇蒸汽，并采用列管式冷凝器回收乙醇，乙醇蒸汽釋放完畢后再釋放小麥秸稈物料，小麥秸稈物料用乙醇提取木質素，木質素提取率為84%，提取木質素后的物料用纖維素酶酶解，在纖維素酶用量為8FPA/g干物料，pH 4. 8，50°C下酶解4 后，纖維素的酶解率到84%。實施例3以玉米秸稈提取木質素和聚醚多元醇為目的的預處理過程如下(1)低壓氣相蒸煮將玉米秸稈原料切割成5-lOcm，放入氣相蒸煮罐，充入甲醇蒸汽，在0. 6MPa壓力下氣相蒸煮12min ；(2)高壓氣相蒸煮低壓氣相蒸煮完成后繼續充入甲醇蒸汽，在1. 壓力下氣相蒸煮細in，完成梯度氣相蒸煮；(3)物料的釋放及應用梯度氣相蒸煮處理完成后泄壓先釋放甲醇蒸汽，并采用列管式冷凝器回收甲醇，甲醇蒸汽釋放完畢后再釋放玉米秸稈物料，玉米秸稈物料用乙醇提取木質素，木質素提取率為82%，提取木質素后的物料主要為纖維素，用它與甘油和聚乙二醇在重量比為2 1 1、133°C下合成聚醚多元醇。實施例4以苧麻氣相脫膠為目的的預處理過程如下(1)低壓氣相蒸煮將苧麻原麻在水中浸泡2小時后裝籠，放入氣相蒸煮罐，充入水蒸汽，在0. 4MPa壓力下氣相蒸煮6min，升高再充入水蒸汽升高壓力0. 58MPa壓力下氣相蒸煮5min ；(2)高壓氣相蒸煮低壓氣相蒸煮完成后，繼續充入水蒸汽提高蒸煮溫度，在 1. OMPa壓力下氣相蒸煮0. 5min，氣相蒸煮后將水蒸汽放出，水蒸汽釋放完畢后將苧麻纖維從氣相蒸煮罐中取出；(3)苧麻纖維的后處理對梯度氣相蒸煮處理后的苧麻物料在敲麻機上進行敲麻，敲麻強度為4-6圈，敲麻完成后用雙氧水漂白，漂白液的組成為(g/L) =Na2SiO3,1 ；H2O2, 10 ；NaOH, 1，在60°C下，漂42min，漂白完成后在2%的纖維乳化油中30°C浸泡20min完成給油，甩干后用氣流干燥便得到苧麻精干麻。實施例5以葛根原料發酵乙醇和提取葛根素為目的的預處理過程如下(1)低壓氣相蒸煮將葛根原料切割成3_5cm小塊，放入氣相蒸煮罐，充入水蒸汽， 在0. 5MPa壓力下氣相蒸煮IOmin ；(2)高壓氣相蒸煮低壓氣相蒸煮完成后繼續充入水蒸汽，在1. IMI^a壓力下氣相蒸煮2min，完成梯度氣相蒸煮；(3)物料的釋放及應用梯度氣相蒸煮處理完成后泄壓將水蒸氣和葛根物料一起釋放，將梯度氣相蒸煮處理后的葛根物料，直接加入糖化酶G5u/g)、和活化后的酵母， 35 37°C下，固態同步糖化發酵40h，發酵渣用乙醇提取黃酮，IOOg干葛根可生產的乙醇與葛根黃酮分別為27. 3g、4. 5g，淀粉利用率達到95%，與未氣相蒸煮的相比，在相同的發酵和提前條件下，乙醇產率提高了 158%，黃酮提取率提高了 52%。
權利要求
1.生物質梯度氣相蒸煮預處理方法，包括如下步驟(1)低壓氣相蒸煮將生物質原料放入氣相蒸煮罐，充入氣相介質，在0.2-0. 壓力下氣相蒸煮4-60min ；(2)高壓氣相蒸煮低壓氣相蒸煮完成后，繼續充入氣相介質提高蒸煮溫度和壓力，在 0. 71-2. 8MPa壓力下氣相蒸煮0. 5_30min ；(3)物料的釋放梯度氣相蒸煮處理后物料的釋放有兩種方式，一是將物料與氣相介質一起放出；二是先釋放氣相介質，等氣相介質釋放后再從氣相蒸煮罐中取出物料。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是氣相介質包括有機介質和無機介質。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是在氣相蒸煮前對生物質原料進行前處理步驟，包括切割、粉碎或浸泡，以提高梯度氣相蒸煮效果。
全文摘要
本發明提供一種生物質梯度氣相蒸煮預處理方法，將生物質原料置于溫度和壓力梯度上升的氣相介質環境中蒸煮，梯度蒸煮使生物質在由低向高不同的溫度和壓力下各保持一定時間，生物質受熱均勻，提高了氣相介質與物料反應的均一性從而提高預處理效果。氣相介質可以是無機或有機物，滿足不同原料和不同目標產物生產的預處理需要。本發明對生物質原料和生物基產品的生產具有普適性，可用于生物基能源、材料和化學品生產過程的生物質原料預處理，也可用于中藥泡制和天然植物纖維脫膠等。
文檔編號C08H7/00GK102212563SQ20111006042
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月14日 優先權日2011年3月14日
發明者彭小偉, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所