[发明专利]提高木质纤维素原料生物转化率的预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境保护与可再生能源开发利用的辅助方法，尤其是一种通过预处理手段提高木质纤维素原料生物转化效率的方法，具体地说是一种提高木质纤维素原料生物转化率的预处理方法。

背景技术

众所周知，米草、秸秆等生物质资源的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，这三种成分的质量占植物纤维原料总质量的80％～95％。纤维素是聚合度为300到15000的线型高分子化合物，由于氢键的作用使很多纤维素分子共同形成结晶区。木质素是纤维素的粘合剂，能增加植物体的机械强度。木质素本身不易被降解，而且对纤维素的降解有屏蔽作用，以及纤维素本身的结晶结构，半纤维素对纤维素的包覆作用，都导致木质纤维素材料厌氧降解困难。因此通过预处理打开木质纤维素的紧密结构是一种提高其生物转化率的有效方法。

目前国内外常用的预处理技术可划分为物理法、化学法、生物法和热处理方法。

物理法主要指粉碎处理，对后续处理改善程度很有限，通常结合其他处理方法。化学法包括酸处理和碱处理。浓酸水解效果较好，但对设备要求高，浓酸需要回收。稀酸水解工艺较简单，但常温下转化率较低，需将温度升高到100℃以上才有较明显的效果。采用酸处理在后续处理前需要中和。与酸处理相比，碱处理较少引起糖的降解，但后续处理前同样需要中和，且某些碱处理会产生抑制因子。生物法是采用白腐菌等真菌对原料进行降解，其优势是低能耗和温和的反应条件，而且是一种环境友好技术，但通常要花较长的时间。热处理方法包括液态高温水技术、湿式氧化处理和蒸汽爆破处理。液态高温水技术通过加压防止水在超过100℃的温度下蒸发，不需添加酸、碱等化学物质，且对原料的尺寸没有要求，但反应需在高压下进行，水作为流动相消耗很大。湿式氧化处理能够有效的使木质素分离，半纤维素溶解，但大多需用氧气进行反应，且反应过程中会有纤维素和木质素被氧化为CO₂和H₂O而损失掉。蒸汽爆破处理是一种无污染、不需回收物质的技术，但存在对木质素-碳水化合物的不完全分裂以及由于高温(160～260℃)、高压(0.69～4.83MPa)会产生对后续生物处理有害的物质的局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的各类木质纤维素预处理方法存在的工序复杂、会产生二次污染以及转化率难以提高等一系列问题，发明一种不仅方法简单，而且操作简便，有利于大幅度提高生物转化率的、结合了物理化学预处理方法优点的提高木质纤维素原料生物转化率的预处理方法。

本发明的技术方案是：

一种提高木质纤维素原料生物转化率的预处理方法，其特征是：

首先，将含木质纤维素的原料进行粉碎；

其次，向上述粉碎的原料喷洒浓度为2.5％～15％的氨水并将其置于密闭容器中反应3h～24h，反应温度为20～65℃；

第三，将反应结束后的原料在0.02MPa～0.1MPa真空度范围内进行真空爆破，以达到破坏其木质纤维结构的目的。

所述的木质纤维素的原料为农作物秸秆或米草。

所述的爆破真空度最佳范围为0.04MPa～0.1MPa。

本发明的有益效果：

1、工艺简单。

2、经过预处理的原料，其中的C和H得到更高效率的转化，同时，预处理中残余的氨液以及植物本身的营养元素N、P和K保留在生物转化处理后产生的液体和固体中，因此固、液产物成为一种优质的有机肥，可以重新回归土壤，实现物质的循环利用。

3、真空爆破作为一种全新的方法耗能较低，适用性较强。

4、以下是利用本发明的预处理方法后的生物转化率(例4)与现有的单一预处理方法相比的生物转化率对比试验结果(例1～例3)。

例1.

将原料粉碎至约1cm，丝状。以1ml液体/g原料的比例将浓度为2.5％、5％、10％、15％的氨液喷洒到原料上，搅匀，于密闭容器中反应24h。反应结束后加少量水，用HCl调节pH至中性。为尽可能调节C/N值使其适于厌氧发酵，同时不影响预处理效果的体现，加入与处理过的原料相同质量的原料。发酵时使用处理过秸秆的污泥，接种量为3.3kg/m³液体，原料的总固体含量为10％，发酵温度为35℃。未预处理的原料取相同质量直接发酵。