CN106086084A - 一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及木质纤维素类原料生产乙醇的技术领域，尤其是一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用。该方法包括以下步骤：(1)将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用；(2)将玉米秸秆与芬顿试剂置于三角瓶中，常温条件下反应24～72h，反应结束后，将玉米秸秆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸秆。采用本发明预处理后的秸秆酶解葡萄糖产量提高57％，其操作简单，无需高温高压设备，对设备要求低，能耗低，适合工业化生产。

Description

一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用
技术领域
本发明涉及木质纤维素类原料生产乙醇的技术领域，尤其是一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用。
背景技术
生物质是一种重要的可再生资源，利用生物质生产燃料乙醇是一种新的能源利用形式，环境污染小，是目前的研究热点。我国生物质原料丰富，其中玉米秸秆年产量高达7亿多吨，占生物质原料的35％。如果能将生物质资源转化为可利用的液体或气体燃料，将有力缓解人类所面临的资源危机、能源短缺及环境污染等一系列问题，具备很好的应用前景。
秸秆类原料的主要是由纤维素、半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，导致纤维素后续糖化水解效率低，乙醇产率低。所以，需要通过预处理，破坏木质素对纤维素和半纤维素的包裹，降低纤维素的结晶度，提高后续糖化效率，进而提高生物质利用率。
目前，玉米秸秆的预处理方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法主要包括机械粉碎、微波辐射预处理、蒸汽***预处理以及热解预处理等。该类方法主要的缺点是能耗大，机械粉碎的能耗占总能耗的50％～60％，处理效率低。蒸汽***预处理法是使用较多广泛，处理效果较好的一种方法，该预处理法的优点是不必添加任何化学物品。但是利用该法进行预处理时，部分木质纤维素物质会在高温条件下发生降解，产生对后续的酶解和发酵过程有抑制作用的有毒有害物质。化学预处理法主要有无机酸、无机碱和有机溶剂预处理等方法，其机理主要是使木质纤维素发生吸胀，破坏纤维素的结晶结构，使纤维素、半纤维素和木质素发生溶解并降解。生物法预处理的能耗低，操作简便，又不污染环境，但其处理效率低，处理周期长。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用，克服现有木质纤维素类原料生产乙醇预处理技术的不足，采用本发明方法可以有效提高酶解葡萄糖产量，反应无需高温高压设备，对反应设备要求低。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种秸秆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用；
(2)将玉米秸秆与芬顿试剂置于三角瓶中，芬顿试剂中氯化亚铁的摩尔浓度范围为：0.1～10mmol/L，芬顿试剂中过氧化氢的浓度范围为：0.05～5wt％，常温条件下反应24～72h，反应结束后，将玉米秸秆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸秆。
所述的秸秆生产乙醇的预处理方法，玉米秸秆中的干物质与芬顿试剂的质量体积比为1g：(10～50)mL。
所述的秸秆生产乙醇的预处理方法，烘干温度为50～110℃。
所述的秸秆生产乙醇的预处理方法，在生物质燃料乙醇或生物质发酵工程中的应用。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明在常温常压下预处理玉米秸秆，避免了高能耗及高温高压带来的不安全因素，预处理后的秸秆酶解葡萄糖产量提高57％。
2、本发明所涉及的装置结构简单，操作方便，不涉及复杂的高温高压设备和工艺，能耗低，易于产业化推广，适合工业化生产。
3、本发明所涉及的芬顿试剂为低浓度亚铁离子和过氧化氢，高浓度的亚铁离子和过氧化氢处理会导致纤维素降解和自由基减少，阻碍亚铁离子的反应和更多羟基自由基的形成。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明玉米秸秆生产乙醇的预处理方法，玉米秸秆与芬顿试剂的主要反应过程如下：
过氧化氢本身氧化性很强，但是在低浓度时氧化能力有限，Fe2+与过氧化氢反应生成·OH自由基，增加过氧化氢的氧化能力，反应方程式如下：
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH
Fe3++H2O2→Fe2++H++·OOH
高活性的·OH与纤维素链中葡萄糖吡喃环上的羟基反应，破坏纤维素分子内和分子间的氢键，纤维素的无定型区和部分结晶区被氧化，羟基被氧化为醛基和羧基，生成活性有机物自由基，导致纤维素解聚，改变纤维表面形貌。反应如下：
下面结合实施例进一步阐述本发明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
本实施例中，玉米秸秆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
2、配制300mL的芬顿试剂中：FeCl2的浓度为1mmol，H2O2的浓度为3wt％。
3、将10g经粉碎过筛后的玉米秸秆置于上述溶液中，常温条件下反应24h，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例2
本实施例中，玉米秸秆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
2、配制300mL的芬顿试剂中：FeCl2的浓度为2mmol，H2O2的浓度为2wt％。
3、将10g经粉碎过筛后的玉米秸秆置于上述溶液中，常温条件下反应24h，真空抽滤、清洗后50℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例3
本实施例中，玉米秸秆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
2、配制300mL的芬顿试剂中：FeCl2的浓度为3mmol，H2O2的浓度为1wt％。
3、将10g经粉碎过筛后的玉米秸秆置于上述溶液中，常温条件下反应48h，真空抽滤、清洗后80℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例4
本实施例中，玉米秸秆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
2、配制200mL的芬顿试剂中：FeCl2的浓度为3mmol，H2O2的浓度为0.5wt％。
3、将10g经粉碎过筛后的玉米秸秆置于上述溶液中，常温条件下反应48h，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
实施例5
本实施例中，玉米秸秆生产乙醇的预处理方法，包括以下步骤：
1、将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用。
2、配制200mL的芬顿试剂中：FeCl2的浓度为5mmol，H2O2的浓度为3wt％。
3、将5g经粉碎过筛后的玉米秸秆置于上述溶液中，常温条件下反应72h，真空抽滤、清洗后105℃烘干，得到预处理的玉米秸秆。
应用例
将实施例1至5中预处理的玉米秸秆，应用在生物质燃料乙醇或生物质发酵工程中，实验数据和技术效果如下：
用低浓度芬顿试剂预处理玉米秸秆葡萄糖产量与酶解时间有关，酶解时间48h葡萄糖产量高于24h。经过芬顿试剂预处理后的秸秆酶解葡萄糖产量提高，酶解24h，葡萄糖产量可提高47％；酶解48h，葡萄糖产量可提高57％。不同配比芬顿试剂预处理秸秆前后酶解葡萄糖产量见表1。
表1不同配比芬顿试剂预处理秸秆前后酶解葡萄糖产量变化
样品编号 酶解24h葡萄糖产量/mg 酶解48h葡萄糖产量/mg
1 79.16783 106.7439
2 86.84725 106.7439
3 88.24351 117.914
4 81.61128 116.8668
5 97.66825 127.3387
空白秸秆 66.60151 81.26222
实施例和应用例结果表明，本发明玉米秸秆的预处理方法，能够充分使芬顿试剂与秸秆混匀，利用Fe2+与H2O2反应产生羟基自由基(·OH)的强氧化性，一定程度破坏木质素对纤维素的包裹，降低纤维度的结晶度，使预处理后玉米秸秆的酶解葡萄糖产量提高。本发明操作简单，无需高温高压设备，能耗低，适用于生物质燃料乙醇和生物质发酵工程中。

Claims (4)

1.一种秸秆生产乙醇的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将玉米秸秆粉碎后，过40#筛，置于干燥器中备用；
(2)将玉米秸秆与芬顿试剂置于三角瓶中，芬顿试剂中氯化亚铁的摩尔浓度范围为：0.1～10mmol/L，芬顿试剂中过氧化氢的浓度范围为：0.05～5wt％，常温条件下反应24～72h，反应结束后，将玉米秸秆依次进行真空抽滤、清洗和烘干，得到预处理的玉米秸秆。
2.根据权利要求1所述的秸秆生产乙醇的预处理方法，其特征在于：玉米秸秆中的干物质与芬顿试剂的质量体积比为1g：(10～50)mL。
3.根据权利要求1所述的秸秆生产乙醇的预处理方法，其特征在于：烘干温度为50～110℃。
4.一种权利要求1所述的秸秆生产乙醇的预处理方法，其特征在于：在生物质燃料乙醇或生物质发酵工程中的应用。
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