CN106319100A - 一种生物质资源化利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质的再利用技术领域，具体涉及一种生物质资源化利用的方法。其具体为：将生物质与催化剂混合，经水解制得单糖和多糖；所述的催化剂为白云石、高岭土、黏土、石英石、玻璃、碳化硅中的一种或多种。该催化剂来源广泛，其与生物质混合后，能催化纤维素、半纤维素快速水解转化为单糖和多糖，以及催化部分木质素转化为纤维素、半纤维素，从而极大地提高了生物质的出糖率，具有显著的经济效益。并且白云石、高岭土等本身不溶于水，便于后续单糖和多糖产品的分离提纯。
Description
技术领域
本发明属于生物质的再利用技术领域，具体涉及一种生物质资源化利用的方法。
背景技术
小麦、玉米、棉花、稻草、野草、甘蔗等众多植物秸秆中，除我国北方极少数地区有利用少了的玉米秸秆作为家畜过冬饲料外，其余秸秆均被直接废弃，未加以再利用。对于废弃的秸秆，农民一般是采用简单的焚烧来处理，但焚烧带来了严重的大气污染。虽然目前国家三令五申严禁焚烧农作物秸秆，但是因为没有配套的秸秆资源化回收处理技术，农民出于降低劳动强度的考虑，秸秆焚烧依然常见。
目前，以秸秆为原料制糖的技术也有很多报道，是非常典型的废弃物再利用的绿色环保、可再生能源项目。但该项技术一般是通过将秸秆中本身所固有的糖转化出来，其实质上是提取纯化技术。而秸秆中还含有大量的纤维素、半纤维素，以及不溶于水的木质素，这些物质能否最大化的转化为糖，直接关系到秸秆的出糖率。现有技术中有采用酶解技术将纤维素、半纤维素转化为糖的报导，对于木质素则直接过滤除去；也有采用离子液体作为催化剂，将纤维素、半纤维素转化为糖的报导。但这些技术均不适用于大批量的规模化生产。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种生物质资源化利用的方法。本发明通过采用白云石、高岭土、黏土、石英石等作为催化剂，使得纤维素、半纤维素快速水解成糖和多糖，并且该催化剂还使得部分木质素转化为纤维素、半纤维素，从而极大地提高了生物质的出糖率，具有显著的经济效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种生物质资源化利用的方法：将生物质与催化剂混合，经水解制得单糖和多糖；所述的催化剂为白云石、高岭土、黏土、石英石、玻璃、碳化硅中的一种或多种。
所述的生物质资源化利用的方法中，生物质与催化剂的质量比为1：5～10：1。
所述的催化剂为黏土，其是通过将陶瓷片粉碎后制得的；
所述的玻璃为以废弃玻璃为原料，粉碎后再进行使用。
所述的生物质资源化利用的方法，具体包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对生物质进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机对生物质进行二次破碎；
（3）催化破碎：将生物质与催化剂混合均匀后，研磨至80目-120目；此处优先采用25000转/分小磨机进行研磨，研磨时间为5min～20min；
（4）水解转化：研磨物料中加入普通自来水或高纯度蒸馏水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合的物料进行加热处理，程序升温至90～100℃，然后程序降温至80℃，该加热催化可加速物料的充分混合，提升反应速率，以滤液中糖不炭化为宜；通过加热催化处理，可将物料中的纤维素、半纤维素快速转化为单糖与多糖，以及将部分不溶解的木质素转化为纤维素、半纤维素，并溶解于水中；原料中不可溶解的剩余部分木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：加热催化后，立即采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行收集，并将无法溶解的剩余部分木质素、催化剂及其他不可溶解物质通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
本发明所采用的生物质可以为小麦、玉米、棉花、稻草、野草、甘蔗等众多植物的秸秆，其他生物质同样适用于本发明的方法。
所述的生物质为甘蔗渣；先按常规工艺提取甘蔗中的蔗糖，提纯后的甘蔗渣与催化剂混合，经水解制得单糖和多糖；其中甘蔗渣与催化剂的质量比为：1：5～10：1。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明首次采用白云石、高岭土、黏土、石英石等作为生物质制糖的催化剂，这些催化剂使得生物质中部分木质素转化为纤维素、半纤维素，而现有技术均是将不溶于水的木质素直接过滤除去；更进一步的，这些催化剂能快速催化秸秆中的纤维素、半纤维素水解转化为单糖和多糖，提升反应速率，极大地提高了秸秆的出糖率，具备显著的经济效益；
（2）由于白云石、高岭土、黏土等这些催化剂本身不溶于水，与溶于水的糖类产品极易分离，简化了后续的产品分离提纯，减少了产品的损失；而且其来源广泛，使用方便，为本发明方法的大规模推广使用提供了极大便利；
（3）本发明采用改进的破碎处理、以及研磨技术，通过一次破碎、二次破碎、25000转/分小磨机进行研磨，使得秸秆中的木质素、纤维素、半纤维素充分与催化剂接触，增大了接触面积，提高了催化效率，从而使木质素最大程度的转化为纤维素、半纤维素，从而提高生物质的出糖率；
（4）本发明方法中所涉及的破碎、水解转化、加热催化等步骤均易于实现，无需特殊的设备及反应条件，适合于大批量、大规模生产应用，而且生产成本低，经济效益高；
（5）本发明通过将生物质催化水解制糖，使生物质变废为宝，解决了生物质焚烧对大气环境造成的危害，为生物质的资源化利用提供了方向，是非常典型的废弃物再利用的绿色环保、可再生能源项目。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例
1
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对小麦秸秆进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机进行对秸秆进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：将秸秆13g、碳化硅26g混合，采用25000转/分小磨机将混合料研磨至80目-120目，研磨时间为20min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合后的物料进行加热催化处理，程序升温至90℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为43.5%（按该实施例提取得到的单糖和多糖总重量除以生物质原料本身的重量，得到出糖率）。
实施例
2
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对玉米秸秆进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机进行对秸秆进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：将秸秆41.5g、白云石18.5g混合，采用25000转/分小磨机将混合料研磨至80目-120目，研磨时间为5min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合后的物料进行加热催化处理，程序升温至100℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为46.00%。
实施例
3
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对棉花秸秆进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机进行对秸秆进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：将秸秆18.9g、高岭土28.3g、黏土2.8g混合，采用25000转/分小磨机将混合料研磨至80目-120目，研磨时间为10min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合后的物料进行加热催化处理，程序升温至90℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为47.50%。
实施例
4
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对棉花秸秆、稻草秸秆（质量比1：1进行混合）进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机进行对秸秆进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：将秸秆16g、黏土24g混合，采用25000转/分小磨机将混合料研磨至80目-120目，研磨时间为10min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合后的物料进行加热催化处理，程序升温至90℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为58.55%。
实施例
5
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对提纯后的甘蔗渣进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机对甘蔗渣进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：将甘蔗渣13.4g、碳化硅26.6g混合，采用25000转/分小磨机将混合料研磨至80目-120目，研磨时间为20min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合后的物料进行加热催化处理，程序升温至95℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为50.55%。
实施例
6
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对野草秸秆进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机进行对秸秆进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：将秸秆6.67g、碳化硅33.33g混合，采用25000转/分小磨机将混合料研磨至80目-120目，研磨时间为20min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合后的物料进行加热催化处理，程序升温至100℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为45.5%。
实施例
7
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对稻草秸秆进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机进行对秸秆进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：将秸秆36.36g、高岭土3.64g混合，采用25000转/分小磨机将混合料研磨至80目-120目，研磨时间为20min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热催化：将充分搅拌融合后的物料进行加热催化处理，程序升温至90℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为46.5%。
对比例
1
一种生物质资源化利用的方法，包括以下步骤：
（1）一次破碎：采用锤式粉碎机对棉花秸秆进行首次破碎处理；
（2）二次破碎：采用流水式粉碎机进行对秸秆进行二次破碎处理；
（3）催化破碎：采用25000转/分小磨机将秸秆50g研磨至80目-120目，研磨时间为10min；
（4）水解转化：在研磨后的物料中加入普通自来水，让物料与水进行充分搅拌融合；
（5）加热：将充分搅拌融合后的物料进行加热处理，程序升温至90℃，然后程序降温至80℃；通过加热，将物料中的纤维素、半纤维素转化为单糖与多糖，并溶解于水中，原料中不可溶解的木质素、催化剂及其他不可溶解物质，则在此过程分离出来；
（6）真空抽滤：采取真空抽滤的方式，通过快速定性滤纸的过滤，将转化出的单糖、多糖滤液进行输出，并将无法溶解的木质素与催化剂通过定性滤纸阻隔分离出来；
（7）干燥结晶：将滤液放置于电热鼓风干燥箱内，进行水份蒸发出来，最终将转化出的单糖、多糖进行结晶处理。
结果为：出糖率为12.01%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种生物质资源化利用的方法，其特征在于：将生物质与催化剂混合，经水解制得单糖和多糖；所述的催化剂为白云石、高岭土、黏土、石英石、玻璃、碳化硅中的一种或几种的混合物。
2.根据权利要求1所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：生物质与催化剂的质量比为：1：5～10：1。
3.根据权利要求1所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：所述的催化剂为黏土。
4.根据权利要求1所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：生物质破碎、生物质与催化剂的混合研磨、水解、加热催化、真空抽滤、干燥结晶。
5.根据权利要求3所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：所述的生物质破碎包括一次破碎和二次破碎，采用锤式粉碎机对生物质进行一次破碎处理，采用流水式粉碎机对生物质进行二次破碎处理。
6.根据权利要求3所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：所述的生物质与催化剂的混合研磨为：将破碎的生物质与催化剂按质量比混合均匀后，采用25000转/分小磨机研磨至80目-120目，研磨时间为5min～20min。
7.根据权利要求3所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：所述的水解为：向研磨后的物料中加入普通自来水或高纯度蒸馏水，让物料与水进行充分搅拌、融合。
8.根据权利要求1所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：所述的生物质为小麦、玉米、棉花、稻草、野草、甘蔗植物秸秆中一种或多种混合物。
9.根据权利要求1所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：所述的生物质为甘蔗渣；先按常规工艺提取甘蔗中的蔗糖，提纯后的甘蔗渣与催化剂混合，经水解制得单糖和多糖。
10.根据权利要求9所述的生物质资源化利用的方法，其特征在于：甘蔗渣与催化剂的质量比为：1：5～10：1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170111 |