基于二氧化碳内循环联产乙醇、甲烷和木质素纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二氧化碳内循环联产乙醇、甲烷和木质素纳米颗粒的方法，将碱预处理后木质纤维素原料的固体部分乙醇发酵、厌氧发酵和CO2回流预处理液相结合，在提高木质纤维素原料糖化发酵和厌氧发酵性能的同时，对发酵过程产出的CO2进行回流利用，综合酸沉淀自组装法制备木质素纳米颗粒，在提高原料产生物乙醇和生物燃气的基础上，对沼气进行提质并回流发酵产CO2进行木质素纳米颗粒的制备，实现乙醇和甲烷联产、碳中和、木质素资源化，进一步提高能源草本植物的资源转化效率，解决了碱预处理液无法有效利用且会造成环境污染的问题、乙醇蒸馏后残留物的处理问题和发酵伴随CO2无法中和利用的问题。无法中和利用的问题。无法中和利用的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于二氧化碳内循环联产乙醇、甲烷和木质素纳米颗粒的方法

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[0001]本专利技术涉及木质纤维素原料能源化利用
，具体涉及一种基于二氧化碳内循环联产乙醇、甲烷和木质素纳米颗粒的方法。

技术介绍
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[0002]能源草本植物种植可以实现土壤污染治理、缓解温室气体排放以及改良土壤理化性质等，而且作为一种木质纤维素生物质，它可以通过同步/分步糖化发酵生产乙醇，也可以通过厌氧发酵生产沼气/甲烷实现能源化利用，减少化石燃料的利用，从而减少二氧化碳排放。但是，能源草本植物有着木质纤维素生物质固有的复杂的内部结构，使微生物和酶难以与纤维素接触，导致能量转化效率低。因此，选择合适的预处理方法是提高能源草本植物发酵性能的必经之路。
[0003]在众多化学预处理方法中，碱预处理已成为最常用的方法。碱预处理可破碎木聚糖和木质素之间的酯键，实现脱除木质素组分；破坏原料中纤维素和半纤维素之间的氢键，脱除原料中部分半纤维素组分；由于原料中半纤维素和木质素组分的脱除，破坏了其内部结构，增加了酶和微生物的可及性，有利于提高其生物转化性能。碱预处理常用的化学试剂包括NaOH、Ca(OH)2、KOH等。其中，氢氧化钠是最有效和最常用的化学试剂，具有反应条件温和(常压、温度低于100℃)、能耗较低等优点，但氢氧化钠预处理产生大量的预处理液对环境造成危害。对富含木质素的预处理液的资源回收仍是能源利用的重要环节。
[0004]目前，对于预处理后能源草本植物通过同步/分步糖化发酵生产乙醇和通过厌氧发酵生产沼气/甲烷都有较为成熟的工艺，但乙醇发酵并蒸馏后的固体残留物并没有得到有效利用，其含有大量的未利用的碳水化合物(如戊糖)和其他有机物可以进一步被微生物利用，不仅如此，厌氧发酵和糖化发酵过程中CO2的伴随产出亟需一种可中和、利用的方式进行解决。

技术实现思路
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[0005]本专利技术的目的是提供一种基于二氧化碳内循环联产乙醇、甲烷和木质素纳米颗粒的方法，将碱预处理后木质纤维素原料的固体部分乙醇发酵、厌氧发酵和CO2回流预处理液相结合提高木质纤维素原料糖化发酵和厌氧发酵性能的同时，对发酵过程产出的CO2进行回流利用，综合酸沉淀自组装法制备木质素纳米颗粒，实现乙醇和甲烷联产、碳中和、木质素资源化，进一步提高能源草本植物的资源转化效率，解决了碱预处理液无法有效利用造成的环境问题、乙醇蒸馏后残留物的处理问题和发酵伴随CO2无法中和利用的问题。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案因此予以实现的：
[0007]一种基于二氧化碳内循环联产乙醇、甲烷和木质素纳米颗粒的方法，该方法包括以下步骤：
[0008](1)木质纤维素原料粉碎后进行碱预处理，反应温度为50～80℃，预处理时间为
120～180min，预处理后物料固液分离，分别收集固体部分和液体部分；
[0009](2)步骤(1)的固体部分进行乙醇和甲烷联产，首先采用分步糖化发酵工艺制备乙醇，发酵产物经蒸馏获得生物乙醇并收集发酵过程中产生的CO2，然后蒸馏剩余物收集后进行厌氧发酵，获得富含甲烷的生物燃气，生物燃气经变压吸附工艺净化提质后将甲烷和CO2分离，并分别收集；
[0010](3)步骤(1)中收集的液体部分采用CO2自组装工艺，包括以下步骤，液体部分在室温下静置，之后在室温通入步骤(2)中收集到的CO2至液体为中性，继续搅拌，并滴加无机酸至混合液中调节pH为2.6～3.8，之后进行固液分离，固体部分经清洗、冷冻、干燥后获得木质素纳米颗粒。
[0011]所述的木质纤维素原料包括但不仅限于草本类、硬木类和软木类生物质或木质纤维素类农林加工剩余物，如杂交狼尾草、矮象草、台湾甜象草等。
[0012]所述的碱预处理方式所采用的试剂为氢氧化钠、氢氧化钾。
[0013]所述碱预处理工艺所采用碱溶液的浓度为2％～5％(w/v)，木质纤维素类原料和碱溶液按固液比1：(10～20)混合。
[0014]所述的固液分离采用高速离心机。
[0015]所述分步糖化发酵工艺，首先是酶解，之后采用酿酒酵母菌0.5～1％(w/v)，反应温度30～35℃，振荡48～72h进行乙醇发酵，其中酶解采用的酶为纤维素酶，添加量为20～25FPU/g葡聚糖；酶解反应温度50～55℃，固液比1：(10～20)，反应时间为48～72h。
[0016]步骤(2)蒸馏，采用旋转蒸发仪50～70℃，蒸馏至液面下降2/3～3/4。
[0017]所述的厌氧发酵所用原料为蒸馏乙醇后剩余物，厌氧发酵温度为中温(30～37℃)或者高温(50～55℃)，有机负荷为4.0～6.0kg VS/m3。
[0018]所述的糖化发酵产生的CO2可采用储气袋收集；厌氧发酵产生的生物燃气，经过变压吸附工艺净化提质后可获得高浓度的甲烷气体，同时将分离的CO2气体收集。获得的高浓度甲烷气体保存于储气装置，用于燃料、产氢、合成氨等。CO2气体用于木质素颗粒制备。
[0019]所述的木质素纳米颗粒制备采用CO2自组装工艺，其中所用CO2来源于糖化发酵和厌氧发酵。
[0020]所述的木质纳米素颗粒制备采用CO2自组装工艺，CO2通入速度为100～300m3/h。
[0021]所述的液体部分CO2自组装工艺中采用的无机酸为盐酸、硫酸、磷酸等，摩尔浓度为0.25～0.5mol/L，将液体pH值调节，混和溶液持续搅拌20～30min，利用高速离心机在8000～10000rpm下离心5～10min进行固液分离，收集固体。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优点是：
[0023]1)利用氢氧化钠等碱预处理，破碎木聚糖和木质素之间的酯键，实现脱除木质素组分，增加了酶和微生物的可及性，提高了糖化发酵和厌氧发酵性能。
[0024]2)通过变压吸附净化提质发酵产气，即提纯了沼气的甲烷浓度，又避免了CO2的处理问题。
[0025]3)通过回流CO2及酸沉淀预处理液合成木质素纳米颗粒，提高了木质纤维素类原料作为木质素来源的工业用途；通过醇烷联产，提高了原料综合利用。
[0026]总之，本专利技术针对木质纤维素类原料碱预处理液富含木质素和发酵伴随CO2产出的特点，利用木质纤维素原料具有良好的糖化发酵和厌氧发酵潜力的特点，提供了一种回
流利用的方法，将碱预处理后木质纤维素原料的固体部分乙醇发酵、厌氧发酵和CO2回流预处理液相结合，在提高木质纤维素原料糖化发酵和厌氧发酵性能的同时，对发酵过程产出的CO2进行回流利用，回流入预处理液进行碳中和，综合酸沉淀自组装法制备木质素纳米颗粒，在提高原料产生物乙醇和生物燃气的基础上，对沼气进行提质并回流发酵产CO2进行木质素纳米颗粒的制备，实现乙醇和甲烷联产、碳中和、木质素资源化，进一步提高能源草本植物的资源转化效率，最终实现木质纤维素原料碱预处理的综合利用，解决了碱预处理液无法有效利用且会造成环境污染的问题、乙醇蒸馏后残留物的处理问题和发酵伴随CO2无法中和利用的问题。
附图说明：
[0027]图1是本专利技术工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化碳内循环联产乙醇、甲烷和木质素纳米颗粒的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)木质纤维素原料粉碎后进行碱预处理，反应温度为50～80℃，预处理时间为120～180min，预处理后物料固液分离，分别收集固体部分和液体部分；(2)步骤(1)的固体部分进行乙醇和甲烷联产，首先采用分步糖化发酵工艺制备乙醇，发酵产物经蒸馏获得生物乙醇并收集发酵过程中产生的CO2，然后蒸馏剩余物收集后进行厌氧发酵，获得富含甲烷的生物燃气，生物燃气经变压吸附工艺净化提质后将甲烷和CO2分离，并分别收集；(3)步骤(1)中收集的液体部分在室温下静置，之后在室温通入步骤(2)中收集到的CO2至液体为中性，继续搅拌，并滴加无机酸至混合液中调节pH为2.6～3.8，之后进行固液分离，固体部分经清洗、冷冻、干燥后获得木质素纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料包括草本类、硬木类和软木类生物质或木质纤维素类农林加工剩余物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料选自杂交狼尾草、矮象草、台湾甜象草中的任一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙永明，范亚峰，李连华，杨改秀，李颖，王忠铭，孔晓英，邢涛，郭颖，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：