本发明专利技术涉及一种农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，属于生物质炼制领域。所述制浆方法包括在微酸环境下对秸秆进行微酸处理，还包括微酸处理和微碱处理相结合的处理方法。微酸处理和微碱处理分别将秸秆中的半纤维素和木素先后溶出，以纤维素为主要成分的不溶部分经过物理处理得到纸浆，和现有技术相比，本发明专利技术方法克服了秸秆杂细胞的制浆障碍，能够实现秸秆化学成分的全部提取和利用，做到了生物质资源的综合炼制。
【技术实现步骤摘要】
农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法
本专利技术公开了一种农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，属于生物质炼制领域。
技术介绍
农业废弃物的资源化利用包括很多方面，比如生物发电、玉米杆青储饲料、秸秆还田、玉米芯生产糠醛、秸秆预处理后发酵成乙醇、秸秆制浆造纸等。其中，制浆造纸属于化工的角度利用秸秆，遗憾的是，目前，99％以上的制浆都是利用木材，对秸秆的利用有限。开发新的技术，对现行制浆平台和技术进行科学拓展，使秸秆不仅能够进行制浆造纸，还能利用秸秆的非纤维组分(半纤维素和木素)获得其他化学品和材料，这符合生物质全组分炼制的理念，也符合国家关于农业废弃物资源绿色利用的规划。制浆就是从植物纤维原料分离出纤维而得纸浆的过程，根据制浆方法的不同，可分为机械法、化学法和化学机械法。化学和机械作用的合理配合，可获得不同得率和性能的纸浆。从纸浆得率的不同，可以分为化学机械法生产的高得率浆(也称为化机浆，得率85％-95％)、半化学浆(得率60％-85％)和化学桨(35％-60％)。目前，化机浆主流工艺是APMP和BCTMP，生产半化学浆的工艺主要是碱性亚硫酸盐技术，生产化学桨的工艺是烧碱法和硫酸盐法。这些制浆工艺均是在氢氧化钠的碱性环境下实施的。事实上，从蔡伦专利技术造纸术到现在，制浆一直是在碱性环境下进行。20世纪出现的酸性亚硫酸盐法制浆，截止目前，该酸性亚硫酸盐工艺占整个制浆工业产量不足1％。目前，制浆技术基本全部在单一的碱性条件下进行。不可否认，碱法(碱性条件)非常适合木材原料的制浆，因为木材原料的非纤维成分(木素和部分半纤维素)在碱性环境下会迅速溶解到废液中，纤维得到离解而成为纸浆，碱法制浆已被规模浩大的木材造纸产业验证了其科学合理性。然而，对于禾草类农业秸秆原料的制浆，由于原料结构和成分差异的原因，碱法制浆技术遇到了许多障碍和挑战。第一，农作物的叶子、髓(瓤)、秸秆表皮等部分，含有大量的非纤维细胞，包括表皮细胞、薄壁细胞，这些非纤维细胞也被称为杂细胞。这些杂细胞不仅耗碱高，而且会造成纸浆中细小组分含量极高，纸浆滤水性差，纸浆洗涤过程黑液提取率低，这不仅意味着纸浆难以洗干净，还意味着其中的碱难以回收。第二，玉米等秸秆，髓(瓤)部分半纤维素聚糖含量高，碱性环境难以降解半纤维素聚糖，这些半纤维素聚糖在碱性环境下非常粘稠，造成纸浆发粘，滤水困难，不仅纸浆洗涤难度高，造纸机网部无法彻底滤水和脱水，车速也难以提高。第三，秸秆中灰分(无机盐)含量高，尤其是硅元素，管道和加热面硅沉积，造成生产过程各种障碍。另外，无机盐高，黑液(制浆废液)浓缩后粘度高，流动困难，传热效率低，对碱回收干扰严重。秸秆原料的上述特点不仅导致工艺过程问题，还导致环境污染和化学品消耗过高等问题，这也是秸秆没有被广泛用于制浆的症结所在，尤其是玉米秸秆，历史以来没有真正用于制浆造纸。综合上面的问题，解决农业秸秆制浆的关键问题在于如何去除杂细胞。对于玉米秸秆、高梁秸秆、甘蔗渣等秸秆，髓(瓤)的去除非常重要。第一种方案是加强备料，通过物理方式，如筛选、风选、水选、挤压加筛选等多种手段去除秸秆的叶子、髓(瓤)和节，秸秆皮用于制浆，髓(瓤)用于制备糖产品(CN202010255192.6)。专利CN201910028784.1采用了强力水洗、双螺旋把髓(瓤)和叶挤压搓揉成粒或碎片，后续筛选的方法加以去除，以保证后续剩余的秸秆皮能够加工成化学机械浆。第二种方案主要集中在生物酶预先处理方面，这些酶有的是作用于半纤维素，有的是作用于木素，最终目的是通过酶处理，解决秸秆制浆的各种过程问题，相关专利技术有CN201510594486.0、CN202010255061.8、CN201811001993.9。也有专利技术专利提出利用热水抽提的方法去除秸秆中的半纤维素，提取的半纤维素后续利用化学或生物的方法用于生产乙醇和其他化学品，如专利US8889384B2。综上所述，对农业秸秆制浆障碍的克服，即对杂细胞的去除，主要集中在酶技术和物理方式筛选两个方面，产品都是集中于高得率的化学机械浆。另一方面，对秸秆中木素和半纤维素的同步利用，缺乏有效可行的技术支撑。
技术实现思路
本专利技术是针对上述现有技术的不足，提供一种节能环保的农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法。该方法克服了秸秆杂细胞的制浆障碍，化学品消耗低，生产废液便于处理和资源化利用，能实现全组分利用。本专利技术所述秸秆包括但不限于玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、水稻秸秆、芦苇秸秆、棉花秸秆、甘蔗秸秆、麻杆等农业秸秆。从植物细胞角度，农业秸秆的细胞可以分为纤维细胞和杂细胞，纤维细胞主要是杆茎部分，其化学成分是纤维素、半纤维素和木素，容易制浆且不会造成工艺问题，杂细胞主要指薄壁细胞，分布在叶子、髓、瓤等部分，细胞短小，成分复杂，含有多糖、脂肪酸、脂肪、甾醇、多酚、蛋白质、无机盐灰分等，不能用于制浆且会造成工艺过程问题。申请人对农业秸秆进行微酸处理，该处理主要作用于杂细胞，将杂细胞的半纤维素多糖、脂肪酸、蛋白质、无机盐等溶解到液体中，尤其是髓(瓤)部分发生酸解，溶解成小分子进入液体，当然，此过程也会部分作用于纤维细胞的半纤维素。本专利技术农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，包括在微酸环境下对秸秆进行微酸处理，微酸处理初始pH0.5-3.0(优选为pH0.9-1.8，酸浓度控制在微量的0.01-0.12mol/L)，终点pH2.0-4.0(优选为pH3.0-4.0)，温度100-160℃(优选为110-160℃)。微酸处理使得处理后的农业秸秆能够很好的应用于制浆造纸的工艺。作为优选，微酸处理时秸秆固形物质量百分比浓度为5～30％，相对秸秆原料的质量，酸用量为0.5～1.2％，处理时间为10-200min(优选100-150min)。本专利技术微酸处理的酸环境可以由外来酸提供，所述外来酸优选包括硫酸、亚硫酸、二氧化硫、盐酸、磷酸、硝酸、甲酸、草酸、马来酸和/或乙酸；或者，来源于植物秸秆在水热条件下发生自水解产生的乙酸、甲酸和/或葡萄糖酸。上述微酸处理后，液体中含有大量的糖、糖醛酸、生物碱、乙酸等物质。其中糖是最主要的物质，包括单糖和寡糖。液体的pH值较酸处理的初始pH值有所提高，经过加碱中和、浓缩干燥，可以作为动物的饲料添加剂使用。微酸处理的液体也可以适度浓缩后和秸秆混合，进行造粒，如，浓缩的液体和玉米叶按照1:5的重量比混合，然后造粒，得到带有甜味的饲料。液体中的寡糖具有显著的肠道环境调节改善作用，因此，液体适合加工成饲料添加剂。另外，微酸处理后的液体也可用于寡糖、单糖和糠醛生产的原料。作为优选，本专利技术微酸处理后的废液可用于蒸发浓缩生产糖浆、超滤/反渗透浓缩生产糖浆、厌氧发酵生产沼气、生物发酵生产饲料蛋白或浓缩液加酸转化呋喃，过程液体回用于微酸处理。所述过程液体指超滤/反渗透或者厌氧发酵、生物发酵后的液体。进一步的，申请人对微酸处理后的固形物进行微碱处理，该处理主要是将纤维细胞的木素降解为可溶性的小分子而除去，杂细胞中的脂肪、甾醇、多酚和蛋白质在此过程也本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，其特征在于包括：在微酸环境下对秸秆进行微酸处理，微酸处理初始pH 0.5-3.0，终点pH 2.0-4.0，温度100-160℃。/n
【技术特征摘要】
1.农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，其特征在于包括：在微酸环境下对秸秆进行微酸处理，微酸处理初始pH0.5-3.0，终点pH2.0-4.0，温度100-160℃。
2.根据权利要求1所述的农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，其特征在于：微酸处理时秸秆固形物质量百分比浓度为5～30％，相对秸秆原料的质量，酸用量为0.5～1.2％。
微酸处理的酸环境由外来酸提供，所述外来酸包括硫酸、亚硫酸、二氧化硫、盐酸、磷酸、硝酸、甲酸、草酸、马来酸和/或乙酸；或者，来源于植物秸秆在水热条件下发生自水解产生的乙酸、甲酸和/或葡萄糖酸。
3.根据权利要求1所述的农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，其特征在于：微酸处理后的废液用于蒸发浓缩生产糖浆、超滤/反渗透浓缩生产糖浆、厌氧发酵生产沼气、生物发酵生产饲料蛋白或浓缩液加酸转化呋喃，过程液体回用于微酸处理。
4.根据权利要求1所述的农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，其特征在于：微酸处理后的秸秆脱水后，在微碱性环境下进行微碱处理，微碱处理初始pH9-13，终点pH6.0-10.0，温度80-160℃。
5.根据权利要求4所述的农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，其特征在于：微碱处理时添加适量木材，木材与脱水后秸秆的质量比为(1-9):1。
6.根据权利要求4或5所述的农业秸秆的微化学法制浆及生物质全组分炼制方法，其特征在于：微碱处理时固形物质量百分比浓度10～20％，相对初始原料的质量，碱用量为2-14％，
所用碱包括氢氧化...
【专利技术属性】
技术研发人员：王兆江，韩文佳，曾劲松，陈克复，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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