本發(fā)明涉及化工及生物質(zhì)能源，尤其涉及一種木質(zhì)纖維素原料的預處理方法及處理裝置。
背景技術：
隨著社會的進步與發(fā)展，人類對于能源的需求也日益劇增，然而化石燃料的大量開采，使人們不得不面臨著傳統(tǒng)化工能源枯竭的危機。在此情況下，世界各國都潛心研發(fā)新型能源去替代傳統(tǒng)的化石能源，其中生物質(zhì)能源以其環(huán)保，可再生等優(yōu)點成為各國研發(fā)的焦點。
纖維素乙醇作為第二代燃料乙醇，因其來源于地球上資源最豐富的木質(zhì)纖維素，不僅可以消化大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，變廢為寶，而且還可以實現(xiàn)不與人爭糧的窘境。此外纖維素乙醇與傳統(tǒng)的化石能源相比可以達到節(jié)能減排的意義，對于可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
纖維素乙醇生產(chǎn)過程主要步驟有：原料的磨碎、預處理、酶解糖化、乙醇發(fā)酵以及后續(xù)的乙醇分離。磨碎主要是用磨碎機將大塊秸稈打碎成1cm左右的小碎片，便于后續(xù)的預處理酶解等步驟。秸稈的預處理主要是通過物理、化學、生物以及多種混合的方法來破壞木質(zhì)纖維素的結構，提高木質(zhì)纖維素中纖維素的相對含量。酶解糖化過程則是利用纖維素酶在特點條件下將預處理后的物料變成單糖供菌種發(fā)酵使用。乙醇發(fā)酵就是利用酵母等乙醇發(fā)酵菌種，利用酶解后的單糖來進行乙醇發(fā)酵。最后通過蒸餾等分離手段獲得高濃度的乙醇。
對于整個纖維素乙醇的生產(chǎn)過程，預處理過程是一個必要且重要的步驟，不僅對后續(xù)酶解發(fā)酵有著深遠的影響，而且對廢水的處理排放也有著巨大的影響，更是降低纖維素乙醇生產(chǎn)成本最為至關重要的一環(huán)節(jié)。
目前對于木質(zhì)纖維的預處理方法有很多，具體地有蒸汽爆破法、凍融法、稀酸法、堿處理法、有機溶劑法、氨纖維爆破法、微波法、生物法等。雖然不同預處理方法的原理都不同，但這些預處理的目標都是打破木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的復合體，使更多的纖維素暴露給纖維素酶作用，以得到更多的單糖和寡糖。每一種預處理方法都有自己的優(yōu)缺點，而最為理想的預處理方法最好可以達到：高糖收率、廢水排放少、能耗成本低等。
在上述預處理方法中，堿處理方法因其反應條件溫和、成本便宜、處理效果好而被看為最有發(fā)展前景的預處理方法。一般處理方法為：將一定百分比的堿溶液與木質(zhì)纖維素原料混合均勻，維持加熱溫度在90℃和130℃之間，保溫時間多為90分鐘左右。而這種預處理方法需要提前配好堿溶液，而所加的水也需要消耗蒸汽加熱，對蒸汽消耗也比較大，預處理后廢水的排放也比較大。
因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)一種低能耗、低用水量、低排放量且預處理效果好的木質(zhì)纖維素預處理方法及裝置，以降低纖維素乙醇的成本。
技術實現(xiàn)要素：
有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種低蒸汽消耗、低廢水排放量且預處理效果好的木質(zhì)纖維素原料預處理方法以及處理裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面提供了一種木質(zhì)纖維素原料的預處理方法。在一個較佳實施方式中，該預處理方法包括步驟：
1)將所述木質(zhì)纖維素原料與固體堿混合；
2)在攪拌下通入蒸汽，使所述木質(zhì)纖維素原料與堿進行反應；
3)反應完成后，泄壓并降至室溫，獲得處理后的物料。
進一步地，木質(zhì)纖維素原料包括農(nóng)林廢棄物和富含纖維素原料的城市固體垃圾。
優(yōu)選地，農(nóng)林廢棄物和富含纖維素原料的城市固體垃圾包括玉米秸稈，菊芋秸稈，油菜秸稈，甜高粱秸稈，芝麻秸稈，稻殼，玉米芯，花生殼，木屑，廢紙中的一種或幾種混合。
優(yōu)選地，在步驟1)之前，將木質(zhì)纖維素原料先洗凈、烘干并粉碎后，再與固體堿混合。進一步優(yōu)選地，粉碎后的木質(zhì)纖維素顆粒粒徑大小在8-12mm左右。
進一步地，步驟1)中，木質(zhì)纖維素原料與所述固體堿的重量比為50:5～50:15。優(yōu)選地，為5:1。
進一步地，固體堿包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氧化鈣、氫氧化鎂中的一種或多種，固體堿還包括能在水中電離出氫氧根離子的物質(zhì)。
進一步地，步驟2)中，反應的溫度維持在110-130℃，壓力維持在0.2-0.3MPa，反應時間為30-90分鐘。
進一步地，步驟2)中，蒸汽的溫度高于所述反應的溫度。優(yōu)選地，蒸汽的溫度為220-260℃。
進一步地，步驟3)中，所述處理后的物料，水洗成中性后，可用于進行酶解發(fā)酵。酶水解中采用的酶包括纖維素酶、纖維二糖酶、木聚糖酶中的一種或幾種混合酶；發(fā)酵過程指對木質(zhì)纖維素原料酶水解后的乙醇、沼氣發(fā)酵過程及其他以糖為平臺的其他生物煉制過程。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于木質(zhì)纖維素原料的預處理的裝置。在一個較佳實施方式中，該裝置包括蒸汽發(fā)生器、蒸汽傳輸管道、反應釜、螺旋攪拌系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，蒸汽傳輸管道設置在蒸汽發(fā)生器和反應釜之間，螺旋攪拌系統(tǒng)的攪拌部分設置于反應釜中，控制系統(tǒng)用于控制螺旋攪拌系統(tǒng)。
進一步地，蒸汽傳輸管道的一部分管道位于反應釜中，所述一部分管道在背離反應釜內(nèi)壁的部分設置有用于輸出蒸汽的出氣孔。
本發(fā)明中的預處理方法和處理裝置，適用原材料廣泛，能用于包括玉米秸稈、菊芋秸稈、油菜秸稈、甜高粱麻桿、玉米芯、稻殼、花生殼、木屑、廢紙等農(nóng)林廢棄物和富含纖維素原料的城市固體垃圾的處理。
本發(fā)明中的預處理方法直接將固體堿與木質(zhì)纖維素混合，而不是配成堿溶液再與生物質(zhì)混合，通過調(diào)節(jié)堿用量、維持時間，實現(xiàn)了在保證預處理效果最優(yōu)的前提下，減少了很大部分蒸汽的消耗。也由于使用了固體堿而非堿溶液，因此，在降低蒸汽損耗量的同時也降低了反應后廢水的排放量。
經(jīng)過本發(fā)明中的預處理方法處理后的木質(zhì)纖維素原料，其酶解效率高，發(fā)酵產(chǎn)率高，能有效地用于后續(xù)的各種酶解發(fā)酵過程，如用于乙醇、沼氣發(fā)酵過程及其他以糖為平臺的其他生物煉制過程，具有較大的市場運用前景。
以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體步驟及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的纖維素原料預處理裝置示意圖。
具體實施方式
實施例1
圖1是用于進行纖維素原料預處理的裝置的示意圖。該裝置包括蒸汽發(fā)生器1、蒸汽傳輸管道2、反應釜3、螺旋攪拌系統(tǒng)4和控制系統(tǒng)5。
蒸汽傳輸管道2設置在蒸汽發(fā)生器1和反應釜3之間，用于將蒸汽發(fā)生器1中產(chǎn)生的蒸汽傳輸?shù)椒磻?中。蒸汽傳輸管道2位于反應釜中的管道部分21垂直于反應釜3的釜底，并且該管道部分21靠近反應釜3的反應釜壁。在該管道部分21背對反應釜壁、面對攪拌中心的一側上開設有出氣孔22。蒸汽從出氣孔22中被釋放到反應釜3中。
在一個優(yōu)選地實施例中，出氣孔22沿著管道部分21的長度方向設置。在一個實施例中，可以設置5-15個出氣孔22，每個出氣孔22間隔約1cm。優(yōu)選可設置11個出氣孔。
蒸汽傳輸管道2上設置有進氣閥，用于控制是否輸入蒸汽及控制輸入蒸汽的流量。反應釜3上設置有放氣閥，用于將反應釜3中的壓力泄壓到常壓。
螺旋攪拌系統(tǒng)4的攪拌部分設置在反應釜3中，用于對反應釜中的原料進行攪拌。控制系統(tǒng)5用于控制螺旋攪拌系統(tǒng)4的工作，還用于控制蒸汽發(fā)生器1的溫度，以及監(jiān)控整個升溫過程。
實施例2
先將玉米秸稈進行粉碎，粉碎后的木質(zhì)纖維素原料粒徑長度在10mm左右，然后進行干燥。稱取粉碎、干燥過的玉米秸稈50g，稱取10g氫氧化鈉，裝入5L的反應釜3中。利用控制系統(tǒng)5打開螺旋攪拌系統(tǒng)4，攪拌速度為150rpm。待玉米秸稈和氫氧化鈉初步混合后，打開進氣閥持續(xù)地通入溫度約為240℃的蒸汽，使反應釜3內(nèi)溫度控制在130℃，0.3MPa下，并維持30-90分鐘，使得玉米秸稈和氫氧化鈉進行反應，破壞木質(zhì)纖維素的結構，提高木質(zhì)纖維素中纖維素的相對含量。然后打開放氣閥，泄壓到常壓，取出反應釜3內(nèi)的物料冷卻置室溫，即可得到預處理后的物料。
在打開進氣閥通入蒸汽時，蒸汽的溫度只要高于反應釜內(nèi)的反應溫度，以使反應釜內(nèi)能達到反應溫度即可。
所得到的預處理后物料的回收率為57.46％(w/w)。整個預處理過程所用水量為0mL，蒸汽用量相當于300mL水。在固含量5％(w/w)的體系中(pH 4.8，50℃)，以20FPU/g預處理后物料的酶量加入諾維信纖維素酶，水解72h后葡萄糖得率為88.5％，木糖得率為87.4％。與普通堿處里進行對比效果基本一致。
而普通的堿處理，其初始固液比一般為10％，即50g的秸稈需要500mL的水，同時對含有500mL水的秸稈進行加熱，需要消耗接近于1050mL的蒸汽量。整個過程的耗水量大于1550mL。
實施例3
先將玉米秸稈進行粉碎，粉碎后的木質(zhì)纖維素原料粒徑長度在10mm左右，然后進行干燥。稱取粉碎、干燥過的玉米秸稈50g，稱取5g氫氧化鈉，裝入5L的反應釜3中。利用控制系統(tǒng)5打開螺旋攪拌系統(tǒng)4，攪拌速度為150rpm。待玉米秸稈和氫氧化鈉初步混合后，打開進氣閥持續(xù)地通入溫度約為260℃的蒸汽，使反應釜3內(nèi)溫度控制在110℃，0.25MPa下，并維持60-90分鐘，使得玉米秸稈和氫氧化鈉進行反應，破壞木質(zhì)纖維素的結構，提高木質(zhì)纖維素中纖維素的相對含量。然后打開放氣閥，泄壓到常壓，取出反應釜3內(nèi)的物料冷卻置室溫，即可得到預處理后的物料。
所得到的預處理后物料的回收率為55.67％(w/w)。整個預處理過程所用水量為0mL，蒸汽用量相當于320mL水。
實施例4
先將玉米秸稈進行粉碎，粉碎后的木質(zhì)纖維素原料粒徑長度在10mm左右，然后進行干燥。稱取粉碎、干燥過的玉米秸稈50g，稱取15g氫氧化鈉，裝入5L的反應釜3中。利用控制系統(tǒng)5打開螺旋攪拌系統(tǒng)4，攪拌速度為150rpm。待玉米秸稈和氫氧化鈉初步混合后，打開進氣閥持續(xù)地通入溫度約為240℃的蒸汽，使反應釜3內(nèi)溫度控制在120℃，0.2MPa下，并維持30-60分鐘，使得玉米秸稈和氫氧化鈉進行反應，破壞木質(zhì)纖維素的結構，提高木質(zhì)纖維素中纖維素的相對含量。然后打開放氣閥，泄壓到常壓，取出反應釜3內(nèi)的物料冷卻置室溫，即可得到預處理后的物料。
所得到的預處理后物料的回收率為58.39％(w/w)。整個預處理過程所用水量為0mL，蒸汽用量相當于292mL水。
以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。