[发明专利]生物质梯度气相蒸煮预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质原料高值利用领域，特别涉及生物质梯度气相蒸煮预处理方法。

技术背景

生物质指所有通过光合作用将太阳能和二氧化碳转化而形成的有机物质，或光合产物间接形成的动物物质及其代谢物。包括农产品及农作物秸秆、木材及木材废料、动物废料、城镇垃圾及水生植物等。其中，木质纤维素类生物质的产量最大。全球每年由光合作用产生的木质纤维素总量约为1000亿吨。木质纤维素原料再生速度快，每年约固定2×10¹¹吨碳，内含3×10²¹J能量，相当于600亿至800亿吨石油，即全世界每年石油总产量的20至27倍。

生物质转化是世界上最大的碳循环之一，生物基产品的生产和应用对于缓解人类资源、能源危机和日益严峻的环境污染问题具有举足轻重的作用。世界各国已经认识到要实现人类社会的可持续发展，必须利用可再生的生物质资源取代石油资源，生产人类所需的能源、材料、化学品和其他物品。在这种背景下，各国科学家和工程师正在不停的努力开发新的技术，降低生物基产品的生产成本，增加生物基产品的应用范围。生物基产品的不断开发和生产对于减少对化石资源的依赖性以及改善人类的生存环境和生活质量具有重要的意义。

生物质原料广泛多样，组分复杂，因此必须先对生物质原料进行预处理，才能进行后续的加工和炼制。针对不同的生物质原料和后续的转化工艺需求，开发高效低能耗的原料预处理技术是生物质实现生物质高值化利用的关键。生物质预处理技术研究是国内外研究的热点，生物质预处理方法有物理法如粉碎、高能辐射、微波处理和超临界等；化学法如酸预处理、碱预处理、溶剂处理、臭氧处理等；生物法如用白腐菌等发酵处理；综合法如汽爆和多种方法综合预处理。各种预处理方法都有它的优势和局限性，如物理法价格较高而且很难达到高效酶解发酵的要求，而生物法能耗低但时间过长，工业上很难实现，目前酸预处理和气爆预处理已用于产业化，酸预处理技术由于对设备要求高、污染严重而逐渐被淘汰，气爆预处理技术无污且能耗较低，是较为理想的技术，但还需进一步完善，如与其他技术组合或汽爆方式的改进等降低能耗和效率。

本发明提供的梯度气相蒸煮预处理生物质的方法，原理是生物质原料首先在较低温度和压力的蒸汽环境中处理较长的时间，使物料与气相介质充分接触、受热均匀，经过较长时间(4-60min)的低压蒸煮后继续充入蒸汽，升高蒸煮压强和温度，处理较短的时间(0.5-30min)，使生物质与气相介质的反应进一步进行，因为整体的蒸煮时间延长，保证了蒸煮的均一性。采用气相蒸煮与液相蒸煮相比减少反应介质的使用量和能量消耗。本方法有以下优势：一、梯度气相蒸煮使物料在逐渐升高的温度和压强条件下与气相介质充分接触和反应，保证了反应的均一性；二、可根据生物质特性和目标产物的要求采用不同的气相介质，包括有机介质和无机介质，有机介质如乙醇、甲醇、乙二醇等，无机介质如水、氯气等；三、气相蒸煮方法对于生物质原料和目标产物具有广谱性，本方法对所有的生物质都适应，能满足几乎所有生物基产品的需要，如能源、材料、化学品、食品、中药、饲料、肥料、植物纤维等生产的预处理需求。可根据不同的产物导向选择不同的气相介质和气相蒸煮工艺。因此，本方法是一种有广泛前景的生物质预处理方法。

发明内容

【本发明的目的】本发明的目的是针对生物质资源化利用需求量日益增大，需开发清洁高效的生物质预处理方法来满足生物质产业发展的需要的现实问题，提供高效、通用的梯度气相蒸煮生物质预处理方法。

【技术方案】本发明提供的生物质梯度气相蒸煮预处理方法，包括高压气相蒸煮和低压气相蒸煮两个步骤，具体如下：

(1)低压气相蒸煮：将生物质原料放入气相蒸煮罐，充入气相介质，在0.2-0.7MPa压力下气相蒸煮4-60min；

(2)高压气相蒸煮：低压气相蒸煮完成后，充入气相介质提高蒸煮温度和压力，在0.71-2.8MPa压力下气相蒸煮0.5-30min；

(3)物料的释放：梯度气相蒸煮处理后物料的释放有两种方式，一是将物料与气相介质一起放出；二是先释放气相介质，等气相介质释放后再从气相蒸煮罐中取出物料，根据实际需要进行选择。