[发明专利]一种高效糖化处理玉米秸秆的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种糖化处理玉米秸秆的方法，属于生物化工技术领域。

背景技术

随着全球化石能源的日益枯竭、大气污染加重以及经济的发展，用生物质原料生产生物能源替代化石能源已成为当前发展的必然趋势。目前，大多数生物能源的生产依赖于甘蔗，玉米等粮食作物原料，存在生产成本高，引发和加重粮食问题的危险。玉米秸秆是一种大量的农业废料，主要成分是纤维素、半纤维素、木质素和一些可溶性物质。其中，纤维素是可发酵糖的主要来源，含量约占35％～45％，可发酵糖经微生物发酵可进一步转化为乙醇、丙酮、丁醇、乙酸、丁二醇等液体燃料和化工原料，具有广泛的利用价值。

利用玉米秸秆生产生物能源时，通常都要对其进行预处理，以改变木质纤维素的表面结构，破坏木质素和半纤维素构成的网络结构，脱去木质素，降低纤维素的结晶度，从而提高糖化率。目前已实施产业化的预处理工艺主要有两大类：酸水解和酶水解。

酸水解可分为浓酸水解和稀酸水解。浓酸水解是指用浓度在30％以上的硫酸或盐酸将木质纤维素水解糖化的方法。反应条件为100℃以内，常压，2-10小时。优点是能促使纤维素膨胀和溶解，反应条件简单，糖转化率高。缺点是反应时间难以控制，反应时间过长，生成的糖将发生二次分解，糖产率低，同时酸的回收是另一个难题。传统的稀酸水解一般指用10％以内的硫酸或盐酸等无机酸为催化剂将纤维素和半纤维素水解成单糖的方法，温度100-240℃，压力一般高于10个大气压。优点是反应进程快，酸液不用回收，缺点是所需温度和压力较高，副产物较多，反应器材要求高。酶水解是指运用纤维素酶对玉米秸秆中的固态纤维素进行糖化，在常压，40-50℃，pH为4.8左右的条件下进行。优点是可形成单一糖类产物，生成糖不会发生二次分解。缺点是反应时间长，现有纤维素酶效率低。另外，酶水解前还必须先进行预处理以破坏稳定的纤维素晶体结构，使得设备和操作成本均较高。

因此，寻求一种设备成本低廉，操作条件简单，糖化效率高，绿色循环的预处理工艺成为木质纤维制糖领域发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有糖化处理玉米秸秆的方法能耗大、得糖率低和设备要求高的问题，提供一种高效糖化处理玉米秸秆的方法。

本发明的一种高效糖化处理玉米秸秆的方法，通过以下步骤实现的：

一、玉米秸秆纤维原料的破碎：

将干燥玉米秸秆粉碎，过60～100目筛，并室温保存；

二、浓酸水解：

将步骤一破碎后的原料和质量百分含量为40％～60％的硫酸溶液按照质量与体积比为1g：(50～100)mL的比例混合，常温下静置20min～40min，然后在速率为5000r/min～10000r/min的条件下离心5min～10min，分别收集离心液和浓酸水解残渣，浓酸水解残渣用水清洗后，将清洗液与离心液混合，得混合液；

三、酸液回收：

将步骤二得到的混合液用电渗析装置进行糖酸分离后回收酸液，收集糖液，制得糖液A；

四、Fe²⁺助稀酸催化水解：

按照质量与体积比为1g：(20～40)mL的比例向步骤二清洗后的浓酸水解残渣中加入质量百分含量为0.5％～1.5％的硫酸溶液，然后加入FeSO₄·7H₂O，得混合溶液，使混合溶液中Fe²⁺的摩尔浓度为0.025mol/L～0.05mol/L，然后再置于沸水水浴中加热30min～90min，加热过程中搅拌料液，制得糖液B，即完成糖化处理玉米秸秆。

本发明中电渗析装置的电极材料为铂丝和碳布；

本发明中电渗析装置的膜为BPM-I型双极性膜和JAM-II型均相阴离子交换膜，二者均购自北京廷润膜有限公司。

本发明的一种高效糖化处理玉米秸秆的方法，通过以下步骤实现的：

一、玉米秸秆纤维原料的破碎：

将干燥玉米秸秆切成直径为10mm～15mm、厚度为1mm～2mm的圆片，并室温保存；

二、浓酸水解：

将步骤一破碎后的原料和质量百分含量为40％～60％的硫酸溶液按照质量与体积比为1g：(50～100)mL的比例混合，常温下静置20min～40min，过滤后分别收集滤液和浓酸水解残渣，浓酸水解残渣用水清洗后，将清洗液与滤液混合，得混合液；

三、酸液回收：

将步骤二得到的混合液用电渗析装置进行糖酸分离后回收酸液，收集糖液，制得糖液A；

四、Fe²⁺助稀酸催化水解：