本發明屬于木質纖維素預處理領域，主要涉及一種采用NaOH溶液結合蒸汽爆破處理木質纖維素原料的方法，處理過程中無廢液產生，并可提高蒸汽爆破預處理效果并降低蒸汽爆破預處理后抑制物的形成，從而提高木質纖維素生物質酶解效率。
背景技術：
能源危機與環境壓力一直迫使著人類尋求一種新的可再生能源，中國是農業大國，農作物秸稈年產生量有約7億噸，其中稻草秸稈約有1.8億噸，這些木質纖維素生物質是一種極具開發潛力的可再生能源，尋找一種先進實用的技術將秸稈原料降解，使其能用于微生物發酵生產乙醇，對解決能源危機有著重大意義。但天然的木質纖維素是一種具有高度結晶區，結構非常穩定的超分子。在植物細胞壁中，木質素填充于纖維素和半纖維素之間的空間，通過氫鍵和共價鍵將等糖類聚合物連接在一起，并維持整個系統結構的穩定性與剛性。這種結構對木質纖維素的降解利用具有很高的抗性，合適的預處理過程，是打破這種抗性的有效手段。
蒸汽爆破是一種有效的物理化學預處理方法，主要是利用高溫高壓水蒸汽處理纖維原料，通過瞬間釋壓過程實現原料的組分分離和結構變化。在蒸汽爆破過程中，水蒸氣在高溫高壓的作用下滲入木質纖維素原料內部，使原料中的乙酰基和一些其它功能基團在高溫作用下形成有機酸，將半纖維素水解成低聚糖，同時軟化并部分降解木質素，然后瞬間泄壓，蒸汽迅速膨脹，對外做功，使纖維斷裂，增加原料比表面積，提高酶的吸附性，破壞纖維素結晶區，提高酶解效率。但蒸汽爆破的的缺點在于對木質素的去除效果不顯著，同時由于在高溫作用下產生的有機酸會將半纖維素過度水解為糠醛等酶解抑制物。
在蒸汽爆破預處理前先用NaOH溶液在較低料液比下處理秸稈，處理過程中秸稈含水率控制在100％以下、秸稈處于濕潤、無流動水的狀態。這種處理方法操作簡單、無廢堿液產生，可以節約設備投資和處理成本，對環境也不會產生任何污染。在蒸汽爆破前首先經過氫氧化鈉預處理，可以有效破壞原料中木質素的形態結構，可彌補蒸汽爆破對木質素去除效果的不足，同時由于物料以堿性狀態存在，可中和部分在蒸汽爆破預處理過程中形成的有機酸，減少酶解抑制物的形成，從而免去蒸汽爆破處理后對物料的水洗步驟，降低能耗，減少單糖的流失。
技術實現要素：
本發明針對蒸汽爆破預處理的缺點，在蒸汽爆破預處理前先使用NaOH在低料液比下預處理秸稈原料，破壞原料中部分木質素，提高蒸汽爆破預處理效果，同時可減少蒸汽爆破過程中抑制物的生成。處理過程具有不產生廢液，設備簡單，操作方便，不污染環境的特點。將其與蒸汽爆破結合起來，可充分利用兩種方法的優點，在NaOH作用下先破壞秸稈原料中的部分木質素，再通過蒸汽爆破處理，破壞秸稈原料中的纖維素、半纖維素和木質素的交聯 結構，增加生物質原料的酶解可及度。同時由于物料以堿性狀態存在，可中和部分在蒸汽爆破預處理過程中形成的有機酸，減少蒸汽爆破中抑制物的形成，從而免去蒸汽爆破后對物料的水洗步驟。
實現上述目的而采取的技術方案包括：
(1)將自然風干的檸條，水稻，小麥秸稈切割為長度小于3cm的小段；
(2)分別將上述秸稈原料與一定濃度的NaOH溶液以一定的料液比混合均勻，室溫下密封放置4～30天。
(3)將上述經NaOH處理后的物料進行蒸汽爆破處理，蒸汽壓力1.0～2.5MPa，保壓時間5～20min。
(4)上述蒸汽爆破處理后的物料于40℃真空干燥。
(5)將干燥后的物料用植物樣品粉碎機粉碎，過20～80目篩。
(6)參照NREL上的實驗規程對粉碎后的物料進行成分分析和酶解，計算葡萄糖和木糖轉化率。
本發明的最大特點是在蒸汽爆破處里前先采用NaOH溶液在低料液比下預處理，具有以下優點：
1)NaOH溶液能有效破壞木質素結構，提高蒸汽爆破預處理效果；
2)NaOH溶液與物料按較低料液比混合，處理過程中不產生堿性廢液，對設備要求低，對環境無污染；
3)NaOH可破壞生物質原料中的部分乙酰基，中和蒸汽爆破過程中產生的有機酸，減少蒸汽爆破預處理后抑制物的產生，從而免去蒸汽爆破后對物料的水洗步驟。
附圖說明
圖1、無廢液產生的秸稈預處理方法工藝流程圖
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
本發明關鍵在于控制預處理中NaOH含量，以最終蒸汽爆破預處理后物料PH值接近中性為目標，因此在最優蒸汽爆破參數下，具體實施方式的主要差別為NaOH溶液預處理階段中NaOH的含量。具體實施方式如下：
實施例1：
(1)將自然風干的檸條，水稻和小麥秸稈切割為長度小于3cm的小段，分別按料液比為1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入0.1mol/L NaOH溶液，混勻，室溫下密封放置4～30天；
(2)將上述經NaOH處理后的物料進行蒸汽爆破處理，蒸汽壓力1.0～2.5MPa，保壓時間5～20min；
(3)收集物料，測PH；
(4)40℃真空干燥物料，將干燥后的物料用植物樣品粉碎機粉碎，過20～80目篩。
(5)參照NREL上的實驗規程對步驟(4)物料進行成分分析和酶解，對預處理效果進行評價；
實施例2
(1)將自然風干的檸條，水稻和小麥秸稈切割為長度小于3cm的小段，分別按料液比為1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入0.3mol/L NaOH溶液，混勻，室溫下密封放置4～30天；
(2)將上述經NaOH處理后的物料進行蒸汽爆破處理，蒸汽壓力1.0～2.5MPa，保壓時間5～20min；
(3)收集物料，測PH；
(4)40℃真空干燥物料，將干燥后的物料用植物樣品粉碎機粉碎，過20～80目篩。
(5)參照NREL上的實驗規程對步驟(4)物料進行成分分析和酶解，對預處理效果進行評價；
實施例3
(1)將自然風干的檸條，水稻和小麥秸稈切割為長度小于3cm的小段，分別按料液比為1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入0.6mol/L NaOH溶液，混勻，室溫下密封放置4～30天；
(2)將上述經NaOH處理后的物料進行蒸汽爆破處理，蒸汽壓力1.0～2.5MPa，保壓時間5～20min；
(3)收集物料，測PH；
(4)40℃真空干燥物料，將干燥后的物料用植物樣品粉碎機粉碎，過20～80目篩。
(5)參照NREL上的實驗規程對步驟(4)物料進行成分分析和酶解，對預處理效果進行評價；
實施例4
(1)將自然風干的檸條，水稻和小麥秸稈切割為長度小于3cm的小段，分別按料液比為1∶0.5，1∶1，1∶2(g∶ml)加入1.0mol/L NaOH溶液，混勻，室溫下密封放置4～30天；
(2)將上述經NaOH處理后的物料進行蒸汽爆破處理，蒸汽壓力1.0～2.5MPa，保壓時間5～20min；
(3)收集物料，測PH；
(4)40℃真空干燥物料，將干燥后的物料用植物樣品粉碎機粉碎，過20～80目篩。
(5)參照NREL上的實驗規程對步驟(4)物料進行成分分析和酶解，對預處理效果進行評價；
NaOH溶液濃度選擇原則是：在保證預處理效果的前提下，盡量使蒸汽爆破預處理后物料的PH值接近中性，以減少蒸汽爆破過程中由于酸水解導致的抑制物的形成。