專利名稱：：一種林地荒草聯(lián)產(chǎn)紙漿與燃料乙醇的方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于林地荒草資源的綜合利用，特別涉及到一個以林地荒草為原料，清潔分級聯(lián)產(chǎn)紙漿與燃料乙醇的方法。
背景技術：
：林地荒草包括霸王草、龍須草和茅草等，大多為多年生、直立叢生的禾本科植物，有生長快、分蘗力強、產(chǎn)量高等特點。林地荒草在丘陵山區(qū)大量分布，由于長期無人開發(fā)利用，多呈自生自滅狀態(tài)，然而，林地荒草具有豐富的纖維組織，綜纖維含量達到65%以上，可代替木材作為造紙的原料，為國家節(jié)約木材，也可使農(nóng)民增加經(jīng)濟收入，同時也是水上保持和綠化國土的優(yōu)良植被，因此開發(fā)利用山區(qū)林地荒草資源，可促進輕工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展，使林地荒草的綜合利用成為新的創(chuàng)收點。作為造紙原料的林地荒草細胞包括兩大類纖維細胞與雜細胞，雜細胞大多屬于薄壁細胞，在制漿蒸煮時薄壁細胞易吸收藥液起化學作用，增加化學藥品消耗，洗滌時大部分流失，吸水性強，給抄紙帶來困難。而且雜細胞交織能力弱，機械強度差，造成紙張強度下降，所以，造紙時雜細胞應該越少越好。但是林地荒草經(jīng)過汽爆預處理后，分離得到的雜細胞組織、細小纖維組織在酶解或者發(fā)酵利用時可及性提高，有利于酶解發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。國內(nèi)以草類原料制漿，采用傳統(tǒng)的方法多存在蒸煮黑液熱值低、黏度大、并有硅干擾等難以處理問題，污染問題嚴重。另外得到的紙漿品位低下，不能與高檔木槳相提并論，而且目標產(chǎn)物只有紙楽，產(chǎn)品形式單一。乙醇自催化制漿是一種無污染制漿技術，自催化乙醇法通常是不添加任何化學藥品作催化劑，-而依賴于制漿過程中釋放的酸來提供所需的酸度。乙醇法制漿原料廣泛，特別是對草類原料來說，高Si02含量對該法沒有影響。乙醇制槳不會出現(xiàn)過煮問題，漿滯留在蒸煮器中8h，而獎的質(zhì)量不受影響，漂后卡伯值低，可漂性好，對纖維素破壞比常規(guī)蒸煮小。此方法還具有投資小、得率高、副產(chǎn)品能有效利用等顯著優(yōu)點。對年產(chǎn)1-3萬噸的小型漿廠同樣適用。近年來自催化乙醇法因其巨大的發(fā)展?jié)摿Χ艿角嗖A，并且取得了長足的進展。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一個以林地荒草為原料，清潔分級聯(lián)產(chǎn)紙漿與燃料乙醉的方法,，該方法在每個環(huán)節(jié)以清潔環(huán)保為導向，汽爆預處理與機械梳理組織分級相耦合，分離得到優(yōu)質(zhì)纖維組織、雜細胞組織和細小纖維組織。優(yōu)質(zhì)長纖維束組織采用汽爆預處理與乙醇^r催化法相耦合，清潔制備高檔紙漿，而由薄壁細胞等組成的短纖維發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，同時制備、回收副產(chǎn)物低聚木糖、木質(zhì)素與納米二氧化硅，實現(xiàn)林地荒草資源的分級分離、清潔、高值化利用。本發(fā)明提供的汽爆預處理與機械梳理組織分級相耦合，實現(xiàn)林地荒草中優(yōu)質(zhì)纖維組織與雜細胞組織的分級利用的方法步驟包括(1)將全株的林地荒草切短后置入蒸汽爆破裝置中直接進行蒸汽爆破處理(2)水提汽爆料得到水提液與固體物料將水提液進行脫色、離子交換等得到副產(chǎn)物低聚木糖采用梳理裝置對上述水提后固體物料進行梳理和分級，得到的優(yōu)質(zhì)的纖維束組織、雜細胞和細小纖維組織；(3)汽爆^:地荒草優(yōu)質(zhì)纖維束乙醇自催化制漿1)蒸煮將汽爆林地荒草纖維束裝入蒸煮釜中，按lkg物料加入8-12L液體比例加入45-65%(v/v)的乙醇水溶液，迅速升溫至M0-I80"C,在此溫度下保持60-180min;2)洗滌反應結束后，通入冷凝水，使反應器迅速冷卻至70'C左右，取出，過濾得到濾液與漿料。將漿料用40—60%(v/v)乙醇水溶液在40—60r條件下置換洗滌，每lkg干漿耗用洗液5-10kg;3)漂白兩段漂白，第一階段漂白液的組成為l%Na2Si03、2%H202、2%NaOH，第二段漂白液的組成為l%Na2Si03、1%H202、l%NaOH，均在70'C下，各漂2h。每lkg干漿耗用漂白液體40L。4)回收乙醇與木質(zhì)素將濾液中的乙醇回收，水洗得木質(zhì)素。(4)汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織酶解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇1)滅菌按IKg汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織加入6—14L自來水的比例加入自來水，充分混合，121'C滅菌25min:2)同步糖化發(fā)酵按10—40IUFPA/g干底物將滅菌好的物料加入纖維素酶，每100克物料接種0.05—0.15g酵母后，在33-37'C厭氧發(fā)酵48—60h,蒸餾乙醇。3)制備納米二氧化硅發(fā)酵固體殘渣制備納米二氧化硅。為了實現(xiàn)上述目的，我們測定了該技術系統(tǒng)實行時的一些關鍵指標，結果如下1林地荒草成分分析林地荒草包括霸王草、龍須草和茅草等，實驗以茅草為代表，進行了成分分析，實驗結果如下表l。表1茅草成分分析<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從表1看出，汽爆使大部分的半纖維素降解，從原茅草的34.2623%降低到21.6502%。相對速生楊木來說，原茅草灰分約占4.7532%，汽爆茅草中也達到4.0%，遠遠高f楊木中的灰分，另外茅草中木質(zhì)素組分的含量約為楊木中含量的一半，有利于以脫除木質(zhì)素為目的的制漿過程的進行。梳理分級后得到的纖維束組織與雜細胞組織中組分相差較大的為纖維素的含量，纖維束組織中纖維素含量為33.4134%,而雜細胞組織中僅為26.9783%。2林地荒草的纖維特征表2林地荒草纖維特征<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>龍須草纖維平均長度2.lmm,寬度僅為10.4um，茅草纖維平均長度為1.08mm,寬度僅為5.42um，長寬比超過200倍，是優(yōu)質(zhì)的纖維原料，可代替木材作為造紙的原料，為國家節(jié)約木材。3汽爆物料的梳理分級汽爆能夠使物料的纖維充分暴露，使其中的雜細胞破碎或變形，半纖維素降解產(chǎn)生的小分子糖會使沒有徹底破碎的雜細胞粘連在一起，多數(shù)黏附在粗大纖維的表面。在溫和的汽爆條件下，纖維束組織能夠保存完整，其中的木質(zhì)素等不能去除。機械梳理能夠去除黏附在纖維束表面的雜細胞和細小纖維，但在纖維束的表面仍殘存一些雜細胞。如說明書附圖1中所示，其中A為汽爆后的茅草，B為梳理后得到的汽爆茅草纖維束，C為梳理后得到的汽爆茅草雜細胞與細小纖維。汽爆后由于茅草結構變疏松，可及度增加，梳理分級處理對酶解率的影響圖見說明書附圖2。24h酶解率較原茅草的50.00X提高到64.29%,梳理分級得到的纖維束與雜細胞酶解率差異非常顯著，雜細胞中的細小纖維比粗大纖維束更易于降解，24h的酶解率分別為53.04%、酶解時間延長，酶解率提高，原茅草、汽爆茅草以及梳理分級得到的纖維束組織與雜細胞組織48h酶解率分別為53.67%、73.00%、63.97%、95.71%,較24h酶解率分別提高了7.33%、13.55%、20.600%以及5.33%,酶解時間延長至72h時，較24h酶解率分別提高了15.79%、38.55%、21.87%以及6.99%，由此可見，梳理分級得到的雜細胞組織更易于被酶解。4乙醇自催化制漿條件的優(yōu)化影響乙醇自催化制漿的因素較多，主要有保溫溫度、保溫時間與乙醇的濃度。據(jù)研究保溫溫度和保溫時間對木質(zhì)素的脫出速度影響較大，保溫溫度和乙酵濃度對細漿得率影響較大。一般升溫時間的長短對制漿的影響較小，因為自催化乙醇法制漿時木質(zhì)素的脫出主要發(fā)生在保溫階段。表3不同因素對乙醇自催化制漿的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由表3的結果得出茅草汽爆長纖維束乙醇自催化制漿的工藝條件為乙醇濃度為55%,溫度160'C,反應時間2h條件下，粗漿得率可達65%，細漿得率為40.92%,木質(zhì)素脫除率達到86.14%,含量低3二3.5%。5茅草乙醇自催化漿的紙張性能相同條件下制漿，汽爆長纖維束得到的紙張性能明顯優(yōu)于未汽爆預處理茅草和汽爆預處理后未進行梳理分級的茅草。表4茅草乙醇自催化漿的紙張性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本發(fā)明提供的汽爆預處理與機械梳理組織分級相耦合，實現(xiàn)林地荒草中優(yōu)質(zhì)纖維組織與雜細胞組織的分級利用，具有如下的優(yōu)點與特點(l)采用蒸汽爆破和機械梳理耦合技術，對林地荒草進行組織水平上的分離，可以得到富含優(yōu)質(zhì)纖維的纖維束組織，這部分可用于制漿造紙、再生纖維素的生產(chǎn)等，從而可代替部分木材，節(jié)省木材資源。分離得到的雜細胞和細小纖維，易于被微生物利用，可用于生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。該發(fā)明克服了傳統(tǒng)方法的污染、單-組分利用、產(chǎn)品單一的缺點，，了林地荒草的清潔高值全利用。(2)將蒸汽爆破預處理與乙醇自催化法相結合制漿，蒸汽爆破僅僅作為預處押.，所以，爆破壓力可以較低。經(jīng)過爆破預處理后的原料，由于纖維己得到一定的撕裂、解離，-纖維細胞壁的S，和S3層受到不同程度的破壞，部分半纖維素和木素的溶出，乙醇浸入量相比未經(jīng)爆破預處理的浸人量增多，脫木素作用會更加充分。溶劑與木素之間的反應速度會加快,降低蒸煮溫度，縮短蒸煮時間，減少溶劑的用量，從而大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本,.得到的廢液可以通過蒸餾法來回收溶劑，反復循環(huán)利用，整個過程處于一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)，無廢水或少量廢水排放，能夠真正從源頭上防治制漿造紙行業(yè)對環(huán)境的廢水污染，是實現(xiàn)無污染或低污染"綠色環(huán)保"造紙的有效技術途徑也是提取木質(zhì)素，純化木質(zhì)素的有效技術途徑，為木質(zhì)素資源在工業(yè)上的大量開發(fā)利用開辟了一條新的途徑。有機溶劑法脫除木質(zhì)素制漿技術充分考慮了環(huán)境保護和天然可再生資源的充分利用的需要，排除了傳統(tǒng)制漿工藝的硅干擾現(xiàn)象，有著良好的經(jīng)濟效益和社會效益。(3)汽爆預處理與機械梳理組織分級相耦合分離得到的雜細胞和細小纖維可及性增加，有利于酶解與發(fā)酵的進行。圖1是梳理分級前后的汽爆茅草圖，其中A為梳理前的汽爆茅草，B為梳理后得到的汽爆茅草纖維束，C為梳理后得到的汽爆茅草雜細胞與細小纖維。圖2是梳理分級處理對酶解率的影響圖。具體實施例方式下面通過實施例^1"本發(fā)明的技術方案作進一步說明。實施例l(1)將全株的林地荒草300g切短后置入蒸汽爆破裝置中在1.5MPa，維壓5min蒸汽爆破處理；(2〉采用梳理裝置對上述蒸汽爆破處理后的物料迸行梳理和分級，得到的優(yōu)質(zhì)的纖維束組織、雜細胞和細小纖維組織(3)汽爆林地荒草優(yōu)質(zhì)纖維束乙醇自催化制漿1)蒸煮將汽爆林地荒草纖維束裝入蒸煮釜中，按lkg物料加入IOL液體比例加入55%(v/v)的乙醇水溶液，迅速升溫至160'C，在此溫度下保持120min:2)洗滌反應結束后，通入冷凝水，使反應器迅速冷卻至70t:左右，取出，過濾得到濾液與漿料。將槳料用50%(v/v)乙醇水溶液在50'C條件下置換洗滌，每lkg干漿耗用洗液7L;3)漂白兩段漂白，第一階段漂白液的組成為l%Na2Si03、2%H202、2%NaOH，第二段漂白液的組成為l%Na2Si03、1%H202、1%NaOH,均在7(TC下，各漂2h。每lkg干漿耗用漂白液體40L。(4)汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織酶解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇1)滅菌按lKg汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織加入10L自來水的比例加入自來水，充分混合，12ir滅菌25min;2)同步糖化發(fā)酵按30IUFPA/g干底物將滅菌好的物料加入纖維素酶，每IOO克物料接種0.1g酵母后，在33-37r厭氧發(fā)酵60h,蒸餾乙醇。長纖維組織制漿粗漿得率65.85%，細漿得率40.92%，木質(zhì)素脫除率83.3%,雜細胞與細小纖維組織酶解發(fā)酵乙醇8.79g乙醇/100g物料實施例2(1)將全株的林地荒草300g切短后置入蒸汽爆破裝置中在1.5MPa，維壓4min蒸汽爆破處理.(2)采用梳理裝置對上述蒸汽爆破處理后的物料進行梳理和分級，得到的優(yōu)質(zhì)的纖維束組織、雜細胞和細小纖維組織；(3)汽爆林地荒草優(yōu)質(zhì)纖維束乙醇自催化制漿1)蒸煮將汽爆林地荒草纖維束裝入蒸煮釜中，按lkg物料加入12L液體比例加入55%(v/v)的乙醇水溶液，迅速升溫至140'C，在此溫度下保持卯mim2)洗滌反應結束后，.通入冷凝水，使反應器迅速冷卻至70'C左右，取出，過濾得到濾液與漿料。將漿料用50%(v/v)乙醉水溶液在50'C條件下置換洗滌，每lkg千漿耗用洗液7L;3)漂白兩段漂白，第一階段漂白液的組成為1%Na2Si03、2%H202、2%NaOH,第二段漂白液的組成為l%Na2Si03、1%H202、1%NaOH,均在7(TC下，各漂2h。每lkg干漿耗用漂白液體40L。(4)汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織酶解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇1)災菌按lKg汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織加入12L自來水的比例加入自來水，充分混合，121'C滅菌25min;2)同步糖化發(fā)酵按20IUFPA/g干底物將滅菌好的物料加入纖維素酶，每IOO克物料接種0.15g酵母后，在33-37'C厭氧發(fā)酵60h，蒸餾乙醇。長纖維組織制漿粗漿得率48.105^,細漿得率38.07%，木質(zhì)素脫除率80.97%，雜細胞與細小纖維組織酶解發(fā)酵乙醇7.95g乙醇/100g物料。權利要求1.一種林地荒草聯(lián)產(chǎn)紙漿與燃料乙醇的方法，其具體步驟是(1)將全株的林地荒草切短后置入蒸汽爆破裝置中直接進行蒸汽爆破處理；(2)水提汽爆料得到水提液與固體物料；將水提液進行脫色、離子交換等得到副產(chǎn)物低聚木糖；采用梳理裝置對上述水提后固體物料進行梳理和分級，得到的優(yōu)質(zhì)的纖維束組織、雜細胞和細小纖維組織；(3)汽爆林地荒草優(yōu)質(zhì)纖維束乙醇自催化法制漿并回收木質(zhì)素；(4)汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織酶解發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，發(fā)酵殘渣制備納米二氧化硅。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)所述的林地荒草包括霸王草、龍須草、茅草以及其它林間雜草等。3.根據(jù)權利要求l所述的方法，其特征是步驟(1)所述的蒸汽爆破處理維持壓力為1.11.6MPa，維壓時間為36min。4.根據(jù)權利要求l所述的方法，其特征是步驟(3)所述的汽爆林地荒草優(yōu)質(zhì)纖維束乙醇自催化法制漿包含以下步驟1)蒸煮將汽爆林地荒草纖維束裝入蒸煮釜中，按lkg物料加入8-12L液體比例加入45-65%(v/v)的乙醇水溶液，迅速升溫至140-180°C，在此溫度下保持60-180min;2)洗滌反應結束后，通入冷凝水，使反應器迅速冷卻至7(TC左右，取出，過濾得到濾液與漿料。將漿料用40—60%(v/v)乙醇水溶液在40—60。C條件下置換洗滌，每lkg干漿耗用洗液5-10kg;3)漂白兩段漂白，第一階段漂白液的組成為1%Na2Si03、2%H202、2%NaOH，第二段漂白液的組成為l%Na2Si03、1%H202、1%NaOH，均在70'C下，各漂2h。每lkg干漿耗用漂白液體40L。5.根據(jù)權利要求l所述的方法，其特征是步驟(4)所述的汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織酶解發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇包含以下步驟1)滅菌按1Kg汽爆林地荒草雜細胞與細小纖維組織加入6—14L自來水的比例加入自來水，充分混合，12rC滅菌25min;2)同步糖化發(fā)酵按lg將滅菌好的干物料加入10—40IUFPA纖維素酶的比例加入纖維素酶，每100克物料接種0.05—0.15g酵母后，在33-37。C厭氧發(fā)酵48—60h，蒸餾乙醇。全文摘要本發(fā)明提供一種林地荒草聯(lián)產(chǎn)紙漿與燃料乙醇的方法，該方法在每個環(huán)節(jié)以清潔環(huán)保為導向，汽爆預處理與機械梳理組織分級相耦合，分離得到優(yōu)質(zhì)纖維組織、雜細胞組織和細小纖維組織，優(yōu)質(zhì)長纖維束組織采用汽爆預處理與乙醇自催化法相耦合，清潔制備高檔紙漿，而由薄壁細胞等組成的短纖維發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，同時回收、制備副產(chǎn)物低聚木糖、木質(zhì)素與納米二氧化硅，實現(xiàn)林地荒草資源的分級分離、清潔、高值化利用。文檔編號D21C3/00GK101381970SQ20071012139公開日2009年3月11日申請日期2007年9月5日優(yōu)先權日2007年9月5日發(fā)明者付小果,張作仿,陳洪章申請人:中國科學院過程工程研究所