[发明专利]用于燃料酒精生产的原料微波预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制取燃料酒精前原料预处理的方法。

背景技术

预处理方法和工艺是纤维素类物质制取燃料酒精的关键步骤之一，其成本占据整个工艺的30％以上，而现有的各种方法都由于成本过高、能耗过大一直没有得到推广应用。因此开发经济适用、效果好的预处理方法对生物质制取燃料酒精具有重要意义。

纤维素类物质的复杂结构和纤维素的结晶区阻碍纤维素酶的进入，使得生物降解难于迅速进行。因此人们不得不借助化学的、物理的方法进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素等分离开；使纤维素内部氢键打开，使结晶纤维素成为无定性纤维素，使剩余的固体物质更容易被化学或生物的方法水解。

化学法有酸水解、碱水解等方法。化学法虽然具有比较好的预处理效果，但是由于在处理过程采用酸或碱，导致处理后样品的pH值偏高或偏低，需要进行pH值调节，才能进行后期的糖化发酵工艺，同时还存在试剂的回收、中和、洗涤等问题，增加处理用水量，造成后期生产废水处理成本的增加。

物理化学方法主要有蒸汽爆破法和CO₂爆破法。蒸汽爆破法是目前国际上研究较为深入的方法。一般做法是将物料加热到200℃左右后保持0.5～15min，在高温高压下使水分子穿透生物质的细胞壁结构，然后迅速打开阀门降压，造成纤维素晶体的爆裂，木质素和纤维素分离。该法缺点是高温高压环境，对设备要求严格，成本高，同时造成企业生产废水的排出，增加后期废水处理费用。CO₂爆裂原理与操作过程类似于蒸汽爆裂，但是成本高于蒸汽爆破。

物理法有机械法、微波预处理和高温热水预处理等方法。机械破碎是一种最常使用的植物纤维素原料预处理方法，大多数植物纤维素原料在进行其他的预处理以前，都要对其进行机械破碎。对于机械破碎预处理而言，尽管处理后粒径越小越有利于后面的水解(糖化)，但所需要的能量也会增加，存在一个机械破碎预处理植物纤维素原料的最佳粒径。但是机械破碎法耗能大，耗能占生产过程总耗能的50～60％。高温热水预处理是在高温高压(温度＞200℃，压力大于同温度下的饱和蒸汽压)使用液态水对植物纤维素原料进行预处理的过程。这种高温预处理同样过程会导致有价值组分的损失，而预处理的自水解产物对下游酒精发酵有一定的抑制作用。微波预处理是表面微波可以改变植物纤维素原料的超分子结构，使纤维素结晶区尺寸发生变化；能够部分降解木质素和半纤维素，从而增加其可及度，提高植物纤维素的酶水解(糖化)的效率。华中农业大学喻子牛教授用微波与碱联合预处理稻草秸秆，将稻草在1％的NaOH溶液中经微波高温处理6min，发现预处理后稻草植物纤维的孔径变大，物料的可及性和酶解速度大大提高。但是对纤维素酶的毒性较大，而且木质纤维素类物质在碱性条件下容易产生类似“黑浆”的预处理液，造成二次污染。

生物方法预处理植物纤维素原料，研究最多的是白腐真菌分解植物纤维素原料中的木质素，进而提高植物纤维素原料的水解效率。但存在周期长，菌体会利用部分纤维素与半纤维素，使植物纤维素原料的水解得率降低等不足。

发明内容

本发明为了解决现有的各种预处理方法中如蒸汽爆破法、酸水解法等成本过高、能耗过大或者条件过于剧烈等缺点，以及生产周期长、造成二次污染的问题，而提出了一种用于燃料酒精生产的原料微波预处理方法。

本发明方法的步骤如下：取已平衡水分的基质粉末10g，按固液比1∶30～50加入水，放入微波处理器中，在600～1000W的微波功率条件下进行预处理30～60min，之后进行洗涤过滤，预处理完成。

本发明将微波引入预处理过程，在保证预处理效果的前提下，简化了工艺过程，缩短了处理时间，降低了生产能耗和成本，同时不会造成二次污染，易于实现工业应用。本发明的最优条件是分别通过对液固比、加热时间以及微波功率进行优化后所得出，在最优条件下分别获得49.1％的葡萄糖转化率，21.1％的木糖转化率和76％的理论乙醇产率。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的步骤如下：取已平衡水分的基质粉末10g，按固液比1∶30～50加入水，放入微波处理器中，在600～1000W的微波功率条件下进行预处理30～60min，之后进行洗涤过滤，预处理完成。本实施方式中的微波处理器采用普通家用微波炉。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于基质粉末为木质纤维素粉末，木质纤维素粉末为甘蔗、稻壳和秸秆中的一种粉末或其中几种粉末的混合物，其它组成和步骤与具体实施方式一相同。