專(zhuān)利名稱(chēng)：一種玉米秸稈高價(jià)值綜合利用的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種玉米秸桿的處理方法，具體涉及一種利用玉米秸桿聯(lián)合生產(chǎn)乙醇、木質(zhì)素、纖維、果膠、木糖和酵母的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)黃河以北是玉米主產(chǎn)區(qū)，玉米總面積達(dá)到2400hm2左右，玉米秸桿總產(chǎn)量大約為I. 6億噸。當(dāng)前玉米秸桿的利用，主要為反芻動(dòng)物的飼草料、成型燃料或粉碎還田，利用價(jià)值不高。有些地區(qū)則丟棄在地頭腐爛或者放火焚燒。造成資源浪費(fèi)，還嚴(yán)重污染環(huán)境。玉米秸桿干物質(zhì)約含纖維素33%，木質(zhì)素15%，半纖維素20%，果膠9%，粗蛋白3. 5%,總糖含量10%，粗脂肪、礦物質(zhì)等其它8. 5%左右。玉米秸桿經(jīng)酸法水解，果膠、半纖維素、淀 粉等多糖可降解，還原糖可提高至20%左右。其中半纖維可降解為木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖。以上物質(zhì)中，纖維素、木質(zhì)素、果膠、木糖、還原糖都是十分寶貴的物資。還原糖可發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。乙醇發(fā)酵液產(chǎn)出大量酵母，可回收利用。最低級(jí)的利用是用于動(dòng)物飼料。而高級(jí)的利用則是開(kāi)發(fā)成營(yíng)養(yǎng)食品。乙醇蒸餾后的醪液，富含氨基酸、蛋白質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽，可用于植物營(yíng)養(yǎng)液。纖維素是葡萄糖長(zhǎng)鏈聚合物，用途十分廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域包括造紙、建材、化工、化妝品、食品、醫(yī)藥、陶瓷、耐火材料、皮革、煙草等等。僅造紙材料而言，我國(guó)人口多，土地少，森林有限，木材資源緊缺，紙漿嚴(yán)重缺乏。每年紙漿缺口 3700萬(wàn)噸，需花170億美元從國(guó)外進(jìn)口紙漿，以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求。木質(zhì)素是芳香醇類(lèi)聚合物，存在于玉米秸桿的木質(zhì)組織中，形成交織網(wǎng)硬化細(xì)胞壁。木質(zhì)素及其衍生物具有多種功能性，可作分散劑、吸附劑/解吸劑、石油回收助劑、浙青乳化劑。木質(zhì)素與煤混合液化可產(chǎn)液體燃料。木質(zhì)素還被廣泛應(yīng)用于高速路面、機(jī)場(chǎng)跑道中，稱(chēng)為路面木質(zhì)素纖維。其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為木質(zhì)素含量75-80%，PH7. 5左右，最大長(zhǎng)度llOOum，平均長(zhǎng)度45um，體積密度25_30g/L。市場(chǎng)前景看好，價(jià)格2800至4500元/噸。果膠是良好的乳化、增稠、穩(wěn)定和膠凝劑，廣泛應(yīng)用于食品、紡織、印染、煙草、冶金等領(lǐng)域。果膠還有抗菌、止血、消腫、解毒、止瀉、降血脂、抗輻射等作用，是一種優(yōu)良的藥物制劑基質(zhì)。果膠也是水溶性膳食纖維，越來(lái)越受到研究與加工行業(yè)的重視。全球果膠的主要產(chǎn)量來(lái)自歐美國(guó)家，亞洲產(chǎn)量極少。目前，提取果膠的主要原料是柑桔皮、檸檬皮和蘋(píng)果渣。這些原料資源量十分有限，造成價(jià)格長(zhǎng)期高達(dá)12萬(wàn)元/噸不下。木糖的主要用途用于制備木糖醇，木糖醇的用途更加廣泛；作為無(wú)熱量甜味劑用于食品、飲料，適用于肥胖及糖尿病患者；作為雙歧桿菌活化劑、鈣吸收促進(jìn)劑，用于提高人體免疫力的保健食品；應(yīng)用于寵物飼料；用作烤制品；用作高檔醬油色；用于輕工、化工等方面。因此，玉米秸桿全身皆是寶。但是，現(xiàn)今玉米秸桿的利用技術(shù)和工藝，主要是為某單一產(chǎn)品利用目的設(shè)計(jì)的。單一產(chǎn)品的利用方法，如玉米秸桿生產(chǎn)紙漿或乙醇或木糖，必然有把其它有用成分廢棄，即造成大量廢棄物排放，又增加單一產(chǎn)品的成本。由于產(chǎn)出少，效益低，玉米秸桿原料價(jià)格不可能提高，勢(shì)必會(huì)抑制農(nóng)戶(hù)收集玉米秸桿的積極性，嚴(yán)重制約玉米秸桿深加工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，必須考慮一種高效簡(jiǎn)便加工方案，提取以上多種有用物質(zhì)，提高玉米秸桿的綜合利用水平和效率，實(shí)現(xiàn)以玉米秸桿為原料，一套工藝聯(lián)產(chǎn)乙醇、纖維、木質(zhì)素、果膠、木糖和酵母 ，實(shí)現(xiàn)玉米主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收，促進(jìn)玉米種植業(yè)和相關(guān)加工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種方法，通過(guò)綜合利用玉米秸桿資源，聯(lián)合生產(chǎn)乙醇、纖維、木質(zhì)素、果膠、木糖和酵母，從而分?jǐn)傆衩捉諚U的綜合利用成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程污染物零排放，提高玉米秸桿資源利用效率。為了達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出以下技術(shù)方法提供一種玉米秸桿的綜合利用方法，是以玉米桿為原料，通過(guò)連續(xù)的成套工藝聯(lián)產(chǎn)乙醇、纖維、木質(zhì)素、果膠、木糖和酵母的方法；具體講，是先將玉米桿利用酸解法將其中的多糖、果膠、淀粉等可降解物降解為可溶性物質(zhì)水溶液，實(shí)現(xiàn)渣料與可降解物的分離，然后將得到的可溶性物質(zhì)水溶液用于發(fā)酵提取燃料乙醇、果膠、木糖，分離得到的渣料再用有機(jī)溶劑法生產(chǎn)纖維和木質(zhì)素。本發(fā)明所述的方法，具體包括以下步驟a)將采收到的玉米秸桿去葉后粉碎成長(zhǎng)度小于2厘米的絲狀，加入質(zhì)量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質(zhì)量濃度的硫酸，加入的稀糖汁與秸桿體積比為2 5
I，將得到的混合物料制成超過(guò)80目的漿料，并控制漿料中的水含量在85%以下，將漿料溫度升至7(TlO(rC，保持25 40分鐘，完成玉米秸桿第一次酸解，使玉米秸桿中的果膠充分溶解進(jìn)入稀糖汁；將漿料分離成含水50%的渣料I和富含果膠和糖汁的水溶液I ;b)在步驟a)得到的渣料I中加入其體積2飛倍的質(zhì)量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質(zhì)量濃度的硫酸，浸泡15 30分鐘，然后使渣料溫度升至115 125°C，保持6(T90分鐘，完成二次酸解，使渣料中的淀粉、半纖維素、多糖充分降解；待渣料溫度降至IOO0C以下時(shí)，將處理后的漿料分離成渣料2和富含降解糖的水溶液2 ；c)將步驟b)得到的渣料2按體積I : I加入清水浸泡，待渣料中糖汁充分浸出后，進(jìn)行渣液分離，獲得糖汁酸液I和渣料3 ；d)將步驟c)得到的渣料3加入其體積5 7倍的30%濃度的乙醇，再按lg/L的比例向渣料3和乙醇的混合物中添加KOH催化劑，混勻后，使物料溫度上升至100°C，保持6(T90分鐘，完成渣料3的醇解過(guò)程，使渣料3中的木質(zhì)素充分降解；待物料溫度降至50°C以下，分離得到渣料4和木質(zhì)素溶液；e)將步驟d)得到的渣料4用30%乙醇萃取殘留木質(zhì)素，得到萃取液和纖維素；去除并回收步驟d)獲得的木質(zhì)素溶液中的乙醇，得到析出有木質(zhì)素的水溶液，再經(jīng)常規(guī)處理獲得木質(zhì)素；f)在步驟a)獲得的富含果膠和糖汁的水溶液I中加入活性炭進(jìn)行脫色，活性炭加入的比例占步驟a)所述的玉米秸桿干物質(zhì)重量的4 7%，脫色后過(guò)濾獲得活性炭渣I和濾液，濾液中按濾液體積的I. 5倍加入95%乙醇，使果膠變成絮狀物析出，完成果膠醇析,得到富含果膠絮狀物的漿液，再經(jīng)固液分離得到溶液3和果膠固形物；溶液3經(jīng)蒸餾后回收乙醇，剩余為糖汁酸液2 ;g)將步驟b)獲得的富含降解糖的水溶液2和步驟f)獲得的糖汁酸液2混合得到混合糖汁，控制其中糖濃度為16 20%，在每升混合糖汁中加入生成0. 5^1. 5g的(NH4)2SO4所需的氨水、8 12g的MgS04、2飛g的KH2PO4和2飛g的CaCl2,再加入熟石灰調(diào)節(jié)糖汁pH至4 5 ；h)取步驟g)調(diào)制好的糖汁溶液的少部分，稀釋成糖度為2%的水溶液，加入糖質(zhì)酒精安琪酵母，加入的糖質(zhì)酒精安琪酵母是步驟g)得到的糖汁溶液總重量的I/萬(wàn)，無(wú)菌風(fēng)增氧條件下進(jìn)行酵母擴(kuò)繁r3小時(shí)；然后將擴(kuò)繁后的酵母加入步驟g)調(diào)配好的剩余糖汁中，充分混合，厭氧發(fā)酵2(T48小時(shí)，檢測(cè)殘余還原糖含量，當(dāng)還原糖含量小于0. 5%并連續(xù)3次檢測(cè)維持不變時(shí)，酒精發(fā)酵結(jié)束，得到活酵母沉淀物和清液1，清液I經(jīng)蒸餾得到40%v/v的粗酒和醪液；i)步驟h)蒸餾后得到的醪液，按其中干物質(zhì)重量的4 7%加入活性炭，完成醪液的脫色，過(guò)濾獲得清液2和活性炭渣2 ;去除清液2中的帶電鹽分離子，然后經(jīng)濃縮、降溫、力口晶核、結(jié)晶、干燥，獲得木糖結(jié)晶粉；將步驟f)得到的活性炭渣I與本步驟得到的所有廢棄物混合，得到液體肥料。步驟f)中，得到的果膠固形物進(jìn)一步經(jīng)清洗、干燥、粉碎后獲得果膠粉。步驟h)中，得到的粗酒可進(jìn)一步通過(guò)常規(guī)方法制備得到燃料乙醇。步驟i)所述的去除清液2中的帶電鹽分離子優(yōu)選通過(guò)離子交換和納米超濾的方法完成。步驟i)所述的本步驟得到的所有廢棄物包括活性炭渣2、去除清液2中的帶電鹽分離子時(shí)得到的廢液、和/或濃縮、降溫、結(jié)晶和干燥過(guò)程得到的廢液。本發(fā)明的方案中，為了進(jìn)一步降低成本、提高物料利用率，優(yōu)選采用以下方式中的一種或多種步驟e)中，先將所述萃取液與步驟d)得到的木質(zhì)素溶液混合后再去除和回收混 合溶液中的乙醇；步驟f)蒸餾后得到的糖汁酸液2用于步驟a)的第一次酸解或步驟b)的二次酸解；步驟e)或步驟f)回收的乙醇中的一種或兩種和步驟h)蒸餾得到的粗酒合并，經(jīng)過(guò)精餾、脫水后得到濃度不低于95%的燃料乙醇；或者步驟h)得到的活酵母返回步驟h)的擴(kuò)繁程序循環(huán)使用，重復(fù)利用6次后，回收制備得到酵母蛋白飼料。發(fā)明的方法可以使用各種現(xiàn)有設(shè)備完成，例如，步驟a)中，玉米秸桿的去葉和粉碎成絲可以采用ZL200910136184. 3中公開(kāi)的大批量秸桿除葉裝置完成，該機(jī)器在清除秸桿葉子的同時(shí)，直接將玉米秸桿打成長(zhǎng)度小于2厘米絲狀物；所述的玉米秸桿的去葉和粉碎也可以分步進(jìn)行，其中粉碎成絲可以通過(guò)分絲機(jī)完成，分絲機(jī)可以是螺桿式分絲機(jī)，也可以是錘片式粉碎機(jī)；所述漿料的制備可以采用磨漿機(jī)制得，磨漿機(jī)優(yōu)選采用耐酸材料制作的高濃磨漿機(jī)；步驟a)和b)中的酸解可以在蒸汽加熱的反應(yīng)罐中完成；步驟b)和c)中分離渣料可使用不銹鋼擠漿機(jī)；步驟e)中的蒸餾可以在蒸餾釜中完成；步驟g)中的發(fā)酵可以將物料用自吸泵抽送入發(fā)酵袋中完成；等等。
本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，其工藝流程圖如圖I所示，具體步驟如下I)采收玉米秸桿，可以是新鮮秸桿，亦可以是曬干的秸桿。原料運(yùn)至加工廠后，采用ZL200910136184. 3中公開(kāi)的大批量秸桿除葉裝置去除玉米秸桿葉子，該機(jī)器在清除秸桿葉子的同時(shí)，直接將玉米秸桿打成長(zhǎng)度小于2厘米絲狀物；2)將95%濃硫酸，用4-10%濃度的稀糖汁配制成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，以備制漿使用；所需稀糖汁液的總量按所處理秸桿體積的1/5準(zhǔn)備；秸桿處理量完成至1/5后，產(chǎn)出的步驟17)獲得的稀糖汁可替代本步驟配制的稀糖汁液，用于制漿；3)用不銹鋼泵將步驟2)制備的稀糖汁液或者步驟10)和步驟17)得到的稀糖汁液泵入耐酸高濃磨漿機(jī)進(jìn)料口，形成連續(xù)不斷的水流以備送料制漿；用輸送帶將步驟I)制成的玉米秸桿的絲狀物料，源源不斷地從磨漿機(jī)進(jìn)料口喂入，調(diào)整稀酸或者稀糖汁流量，使之與秸桿體積比為疒5 I混合物料，通過(guò)耐酸磨漿機(jī)制成超過(guò)80目的稀酸漿料，漿料從 磨漿機(jī)出口排進(jìn)制漿池；4)將步驟3)制成的漿料，用螺桿泵輸送入搪瓷反應(yīng)罐，然后控制漿料中的水含量不超過(guò)85% ；5)用10%的稀硫酸溶液調(diào)整硫酸濃度，使步驟4)得到的漿料中硫酸濃度保持在5%。的目標(biāo)濃度；6)待步驟5)的漿料硫酸濃度調(diào)好后，關(guān)閉反應(yīng)罐，送蒸汽加溫，直至罐內(nèi)溫度升至90°C，保持30分鐘，完成玉米秸桿一次酸解，使玉米秸桿的果膠充分溶解進(jìn)入稀酸液；7)將步驟6)酸解處理后的玉米秸桿漿料從反應(yīng)罐中排放到料倉(cāng)，然后用不銹鋼切割泵，通過(guò)不銹鋼管道將熱漿料送入不銹鋼擠漿機(jī)，至此，步驟6)的漿料被分離成含水50%的渣料和富含果膠和糖汁的水溶液；8)將步驟7)得到的渣料，按其體積的2倍加步驟2)配制的稀糖汁液，浸泡20分鐘，再用螺桿泵泵入搪瓷反應(yīng)罐，待漿料灌滿(mǎn)后，關(guān)閉反應(yīng)罐，通入蒸汽，使溫度上升至120°C，保持I小時(shí)，完成二次酸解，使渣料的淀粉、半纖維素、多糖充分降解；9)待步驟8)搪瓷反應(yīng)罐溫度降至100°C以下時(shí)，將二次酸解處理后的漿料排入料倉(cāng)，再用耐溫切割泵送入擠漿機(jī)，將步驟8)處理后的漿料分離成渣料和富含降解糖的水溶液；10)將步驟9)獲得的渣料，按體積I : I加入清水浸泡，待渣料糖汁充分浸出后，再用擠漿機(jī)壓榨，獲得稀糖汁和渣料，稀糖汁返回步驟3)制漿；11)將步驟10)獲得的渣料，按渣料體積的5倍加入30%乙醇，按lg/L比例添加KOH催化劑，混勻后，用螺桿泵送入搪瓷反應(yīng)罐，關(guān)閉反應(yīng)罐，送入蒸汽加熱，使溫度上升至100°c，保持I小時(shí)，完成渣料的醇解過(guò)程，使渣料的木質(zhì)素充分降解；12)待步驟11)醇解后的漿料，溫度降至50°C以下，將漿料排入料倉(cāng)，然后用切割泵泵入擠漿機(jī)，將纖維素與木質(zhì)素溶液分離；13)將步驟12)獲得的渣料，先用30%乙醇清洗，然后用清水洗凈，漂白，即獲得纖維素；14)將步驟12)和步驟13)獲得的木質(zhì)素乙醇萃取液蒸餾，使溶液中的乙醇濃度降低，同時(shí)回收酒液；濃縮液待乙醇揮發(fā)殆盡，由于木質(zhì)素不溶于水而析出，將析出木質(zhì)素過(guò)濾，洗凈，干燥，即獲得木質(zhì)素；回收的酒液繼續(xù)用于醇析，或用于蒸餾燃料乙醇；
15)將步驟7)獲得的果膠液，用耐酸泵送入耐酸罐內(nèi)，按與玉米秸桿干物質(zhì)4 7%比例添加活性炭，進(jìn)行果膠液脫色；脫色后過(guò)濾獲得的果膠液，按果膠液體積的I. 5倍加95%乙醇，完成果膠醇析過(guò)程，使果膠變成絮狀物析出；再將富含果膠絮狀物的漿液，用切割泵送入離心機(jī)，將糖汁和果膠分離；糖汁送入蒸餾器蒸餾，回收乙醇；16)清洗步驟15)過(guò)濾獲得的果膠固形物，干燥，粉碎，即獲得果膠粉；17)將步驟9)得到的富含降解糖的水溶液和步驟15)糖汁蒸餾后獲得的糖汁酸液混合，控制糖濃度在18-20% ；18)將步驟17)得到的濃度在18-20%的糖汁，按生成的(NH4)2SO4為lg/L的比例加氨水，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加腿#04、按5g/L的比例加CaCl2,再加少量熟石灰，將水溶液至pH值調(diào)整至4到5 ;
19)按步驟18)調(diào)制好的糖汁溶液，取其中的1/1000，稀釋成糖度為2%的水溶液，投入酵母罐中，按步驟18)制備糖液的I/萬(wàn)比例取糖質(zhì)酒精安琪酵母，投入罐中，并用無(wú)菌風(fēng)給罐中稀糖液增氧，進(jìn)行酵母擴(kuò)繁2小時(shí)；20)將步驟18)調(diào)制好的水溶液，用自吸泵抽送入發(fā)酵袋，同時(shí)將步驟19)擴(kuò)繁的酵母液，隨抽入發(fā)酵袋的水溶液投入發(fā)酵袋中，然后封閉發(fā)酵袋進(jìn)行厭氧發(fā)酵20至48小時(shí)，檢測(cè)殘余還原糖含量，當(dāng)還原糖含量小于0. 5%并連續(xù)3次檢測(cè)維持不變時(shí)，酒精發(fā)酵結(jié)束，得到殘留的沉淀物和酒液清液；21)保留步驟20)發(fā)酵袋內(nèi)殘留的沉淀物一活酵母，用于下次糖液發(fā)酵，重復(fù)利用6次后，待酵母活性下降，回收酵母，清洗，干燥，用于制備酵母蛋白飼料；22)提取步驟20)發(fā)酵成熟后的酒液清液，用自吸泵抽送入蒸餾釜，經(jīng)過(guò)蒸餾提取40% (v/v)粗酒，再與步驟14)回收的酒液和步驟15)回收的乙醇一起精餾、脫水提取濃度不低于95%(v/v)的燃料乙醇和醪液；23)將步驟22)蒸餾后的醪液，按溶液中干物質(zhì)4 7%比例，加活性炭，完成醪液的脫色；過(guò)濾獲得清液和活性炭渣；24)將步驟23)獲得的清液，通過(guò)陰、陽(yáng)、陰離子交換柱，部分去除溶液中的陰、陽(yáng)離子，獲得富含木糖的溶液；25)將步驟24)獲得的溶液，通過(guò)納米超濾，進(jìn)一步去除溶液的帶電鹽分離子；26)將步驟25)獲得的木糖溶液濃縮，降溫，加晶核，結(jié)晶，干燥，獲得木糖結(jié)晶粉；27)將步驟26)、25)、24)的廢液和步驟23)、15)的廢渣及步驟24)離子交換柱洗脫液混合，得到液體肥料。本發(fā)明是從玉米秸桿的資源化利用出發(fā)提出來(lái)的，但是可以應(yīng)用于稻草、菊花桿、麥桿等主要物質(zhì)成分與玉米秸桿相近的秸桿。本發(fā)明提出以玉米秸桿等富含果膠、半纖維、纖維、木質(zhì)素、糖分、淀粉、多糖的植物莖桿為原料聯(lián)合生產(chǎn)乙醇、果膠、木糖、纖維和木質(zhì)素，回收酵母飼料的工藝，同現(xiàn)有玉米秸桿加工技術(shù)相比，有如下優(yōu)勢(shì)與玉米秸桿“酸-酶-同步發(fā)酵法”制乙醇(呂偉民等，2002 ;陳明，2007)及水解制果膠(劉華敏，201010249450. 6)和“醇解-酸析法”(田毅紅等，2012)、高沸溶劑-水析法(李勉軍等，2002)提取木質(zhì)素及其它秸桿制木糖、紙漿等工藝相比，這些工藝的秸桿利用目的單一，產(chǎn)品單一，經(jīng)濟(jì)效益也較低，還有大量剩余物被廢棄。實(shí)施結(jié)果是秸桿資源未充分利用，排放大量廢棄物，造成二次污染。在實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)法提高原料價(jià)格，無(wú)法提高農(nóng)戶(hù)收集秸桿原料積極性。本發(fā)明考慮的是玉米秸桿全面綜合利用，即使是最后的廢液，也被利用為葉面肥，沒(méi)有固體廢物殘留和廢液排放，做到了一種玉米秸桿產(chǎn)出多種產(chǎn)品，且這些產(chǎn)品都是我國(guó)國(guó) 民經(jīng)濟(jì)建設(shè)緊缺物資。圍繞這一工藝目標(biāo)，本發(fā)明改變上述單一的工藝方法，采用多種降解方法聯(lián)用的方案，建立完善連貫的工藝流程，為玉米秸桿的完全利用出廠多種產(chǎn)品奠定了方法基礎(chǔ)。催化劑和降解劑選用其最終能夠轉(zhuǎn)化為肥料的碳酸鉀和硫酸；溶劑盡可能采用能夠重復(fù)回收利用或者作為產(chǎn)品回收的乙醇，為生產(chǎn)流程全過(guò)程無(wú)害化放奠定工藝基礎(chǔ)。與蘇州中能科技有限公司利用玉米秸桿聯(lián)產(chǎn)乙醇、包裝箱紙漿、木糖醇、沼氣、有機(jī)肥和果樹(shù)營(yíng)養(yǎng)液的“酸-酶法”相比，本發(fā)明采用的是“酸-酸-醇解法”，利用玉米秸桿出廠產(chǎn)品，除了乙醇相同外，其他產(chǎn)品均不相同。本發(fā)明出產(chǎn)的其他產(chǎn)品為纖維、木質(zhì)素、果膠、木糖、酵母飼料和液體肥料。其中的純凈纖維不僅可以用于包裝箱紙漿，還可以用于高檔紙漿及其他纖維材料。所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，“酸-酶法”每投入5883元可產(chǎn)出價(jià)值7000元，利潤(rùn)率為18. 99% ;而本發(fā)明的“酸-酸-醇解法”每加工I噸玉米秸桿，投入7570元，產(chǎn)出價(jià)值14440元，利潤(rùn)率90. 75%。


圖I是本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案的流程圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I以玉米秸桿為原料聯(lián)產(chǎn)乙醇、果膠、木糖、纖維、木質(zhì)素，回收酵母飼料，其工藝流程具體實(shí)施過(guò)程如下I、收集干玉米秸桿2千克，測(cè)含水量為15%，采用ZL200910136184. 3中公開(kāi)的大批量秸桿除葉裝置清除葉片，獲得長(zhǎng)度小于2cm的玉米秸桿絲1660克；2、將95%濃硫酸，用4-10%濃度的稀糖汁配制成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，然后將稀糖汁液與步驟I處理好的玉米秸桿按體積比2:1的比例混合，通過(guò)耐酸磨，將玉米秸桿磨成80目的漿料，體積大約為5m3 ；3、將步驟2得到的漿料泵入搪瓷反應(yīng)罐，加熱至70-100°C，反應(yīng)30min，完成一次
酸解，使果膠充分溶解于酸液；4、將步驟3 —次酸解處理后的漿料，排入料倉(cāng)，然后用切割泵送進(jìn)擠漿機(jī)，使果膠溶液與渣料分離；5、在步驟4得到的果膠溶液中，加入7g/L的活性炭，進(jìn)行果膠液脫色；然后在脫色后的果膠液中，加入I. 5倍的95%乙醇，完成果膠醇析過(guò)程，使果膠絮凝；然后用離心機(jī)分離果膠和溶液；再將果膠清洗，干燥，粉碎，獲得成品果膠粉160克；蒸餾溶液，回收乙醇用于后續(xù)工藝的醇解，同時(shí)獲得糖汁酸液；6、將步驟5獲得的糖汁酸液與步驟4分離獲得的渣料混合，泵入搪瓷反應(yīng)罐，調(diào)整酸液濃度至5%。，關(guān)閉搪瓷反應(yīng)罐，輸入蒸汽，使溫度上升至120°C，保持60min，完成二次酸解；然后加冷水，降溫至100°C以下，將二次酸解的漿料，排入料倉(cāng)；
7、將步驟6 二次酸解獲得的漿料，泵入擠漿機(jī)，完成二次酸解的糖汁與渣料分離；二次酸解渣料經(jīng)清水浸泡后再擠漿去水，獲得渣料以備后續(xù)工藝?yán)茫?、步驟7 二次酸解渣料清洗后，按固液體積比1/5加30%乙醇溶液，再按lg/L比例加KOH催化劑，混勻后泵入搪瓷反應(yīng)罐，關(guān)閉反應(yīng)罐，加蒸汽，是溫度上升至100°C，完成醇解過(guò)程，使木質(zhì)素溶解并與纖維素分離；9、醇解完成后，搪瓷反應(yīng)罐加冷水冷卻至50°C以下，將漿料排入料倉(cāng)；采用切割泵送入擠漿機(jī)，完成木質(zhì)素溶液與纖維素分離；纖維素經(jīng)30%溶液清洗，在用清水清洗，干燥，即獲得純凈的纖維素603克；將纖維素30%乙醇清洗液與木質(zhì)素溶液混合，在用蒸餾器蒸餾，回收乙醇；木質(zhì)素沉淀干燥，即獲得木質(zhì)素產(chǎn)品288克；10、用濃縮或者加水的方法，調(diào)整步驟7得到的二次酸解的糖汁濃度至18%，pH值為2左右；先加氨水和營(yíng)養(yǎng)鹽后加石灰水，中和糖汁酸液,調(diào)整pH至5左右；氨水和營(yíng)養(yǎng)鹽加入量為按生成的(NH4)2SO4為lg/L的比例加氨水，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加KH2PO4、按5g/L的比例加CaCl2,得到待發(fā)酵糖汁；取待發(fā)酵糖汁中的1/1000，稀釋成·糖度為2%的水溶液，投入酵母罐中，按待發(fā)酵糖汁總量的I/萬(wàn)比例取糖質(zhì)酒精安琪酵母，投入罐中，并用無(wú)菌風(fēng)給罐中稀糖液增氧，進(jìn)行酵母擴(kuò)繁2小時(shí)，得到酵母液；然后將剩余的調(diào)制好的待發(fā)酵糖汁水溶液，用自吸泵抽送入發(fā)酵袋，同時(shí)將擴(kuò)繁得到的酵母液，隨抽入發(fā)酵袋的水溶液投入發(fā)酵袋中，然后封閉發(fā)酵袋進(jìn)行厭氧發(fā)酵30小時(shí)，檢測(cè)殘余還原糖含量，當(dāng)還原糖含量小于0. 5%并連續(xù)3次檢測(cè)維持不變時(shí)，酒精發(fā)酵結(jié)束，得到殘留的酵母沉淀物和酒液清液；11、抽取步驟10得到的酒精清液至蒸餾器蒸餾，提取粗酒；再經(jīng)過(guò)精餾、脫水，獲得95% (v/v)的燃料乙醇210克；回收步驟10的酵母沉淀物，清洗，取出沉淀物，干燥，即獲得酵母飼料20克；12、在步驟11乙醇蒸餾后剩余的醪液中，按干物質(zhì)5%比例加活性炭，對(duì)醪液脫色；經(jīng)脫色后的溶液，通過(guò)陰-陽(yáng)-陰離子交換柱，在通過(guò)納米超濾，獲得木糖溶液；13、將步驟12得到的木糖溶液濃縮、冷卻、接入木糖晶、結(jié)晶獲得木糖晶粉126克；14、將步驟13產(chǎn)生的木糖結(jié)晶殘液、步驟12產(chǎn)生的離子交換柱洗脫液、活性炭廢渣混合，制成植物葉面肥或者肥料921克；通過(guò)以上流程，獲得粗果膠160克、纖維素603克、木質(zhì)素288克、乙醇210克、木糖126克、酵母20克和液體肥料921克。相當(dāng)于每加工2噸玉米秸桿，可獲果膠160千克、纖維素603千克、木質(zhì)素288千克、乙醇210千克、木糖126千克、酵母20千克和液體肥料921千克。以上產(chǎn)品現(xiàn)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格為果膠120元/千克、纖維素4元/千克、木質(zhì)素3元/千克、乙醇5元/千克、木糖24元/千克、液體肥料0. 5元/千克計(jì)，以上各項(xiàng)產(chǎn)值為19200元、2412元、864元、1050元、3024元、460. 5元。秸桿2噸玉米秸桿總產(chǎn)值為27010. 5元。每加工I噸產(chǎn)值為13505. 25元。玉米秸桿按400元/噸計(jì)，原料成本為800元；2噸玉米秸桿加工成本電費(fèi)450kwX0. 9元/kwhX lh=405元；人工費(fèi)7人X 100元=700元；燃料費(fèi)為1802元；輔料費(fèi)2500元，其它，3593元，總成本費(fèi)用為9800元。加工2噸玉米秸桿的利潤(rùn)為17210. 5元(未含折舊、銷(xiāo)售、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)绕渌g接成本 )。
權(quán)利要求
1.一種玉米秸桿的綜合利用方法，是以玉米桿為原料，通過(guò)連續(xù)的成套工藝聯(lián)產(chǎn)乙醇、纖維、木質(zhì)素、果膠、木糖和酵母的方法；具體講，是先將玉米桿利用酸解法將其中的多糖、果膠、淀粉等可降解物降解為可溶性物質(zhì)水溶液，實(shí)現(xiàn)渣料與可降解物的分離，然后將得到的可溶性物質(zhì)水溶液用于發(fā)酵提取燃料乙醇、果膠、木糖，分離得到的渣料再用有機(jī)溶劑法生產(chǎn)纖維和木質(zhì)素。
2.權(quán)利要求I所述的方法，具體包括以下步驟 a)將采收到的玉米秸桿去葉后粉碎成長(zhǎng)度小于2厘米的絲狀，加入質(zhì)量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質(zhì)量濃度的硫酸，加入的稀糖汁與秸桿體積比為疒5 1，將得到的混合物料制成超過(guò)80目的漿料，并控制漿料中的水含量在85%以下，將漿料溫度升至7(TlO(rC，保持25 40分鐘，完成玉米秸桿第一次酸解，使玉米秸桿中的果膠充分溶解進(jìn)入稀糖汁；將漿料分離成含水50%的渣料I和富含果膠和糖汁的水溶液I ; b)在步驟a)得到的渣料I中加入其體積2飛倍的質(zhì)量濃度為4-10%的稀糖汁，稀糖汁中含有5%。質(zhì)量濃度的硫酸，浸泡15 30分鐘，然后使渣料溫度升至115 125°C，保持60、0分鐘，完成二次酸解，使渣料中的淀粉、半纖維素、多糖充分降解；待渣料溫度降至100°C以下時(shí)，將處理后的漿料分離成渣料2和富含降解糖的水溶液2 ； c)將步驟b)得到的渣料2按體積I: I加入清水浸泡，待渣料中糖汁充分浸出后，進(jìn)行渣液分離，獲得糖汁酸液I和渣料3 ； d)將步驟c)得到的渣料3加入其體積5 7倍的30%濃度的乙醇，再按lg/L的比例向渣料3和乙醇的混合物中添加KOH催化劑，混勻后，使物料溫度上升至100°C，保持6(T90分鐘，完成渣料3的醇解過(guò)程，使渣料3中的木質(zhì)素充分降解；待物料溫度降至50°C以下，分離得到渣料4和木質(zhì)素溶液； e)將步驟d)得到的渣料4用30%乙醇萃取殘留木質(zhì)素，得到萃取液和纖維素；去除并回收步驟d)獲得的木質(zhì)素溶液中的乙醇，得到析出有木質(zhì)素的水溶液，再經(jīng)常規(guī)處理獲得木質(zhì)素； f)在步驟a)獲得的富含果膠和糖汁的水溶液I中加入活性炭進(jìn)行脫色，活性炭加入的比例占步驟a)所述的玉米秸桿干物質(zhì)重量的4 7%，脫色后過(guò)濾獲得活性炭渣I和濾液，濾液中按濾液體積的I. 5倍加入95%乙醇，使果膠變成絮狀物析出，完成果膠醇析，得到富含果膠絮狀物的漿液，再經(jīng)固液分離得到溶液3和果膠固形物；溶液3經(jīng)蒸餾后回收乙醇，剩余為糖汁酸液2 ； g)將步驟b)獲得的富含降解糖的水溶液2和步驟f)獲得的糖汁酸液2混合得到混合糖汁，控制其中糖濃度為16 20%，在每升混合糖汁中加入生成0. 5^1. 5g的(NH4)2SO4所需的氨水、8 12g的MgS04、2 6g的KH2PO4和2 6g的CaCl2,再加入熟石灰調(diào)節(jié)糖汁pH至4 5 ； h)取步驟g)調(diào)制好的糖汁溶液的少部分，稀釋成糖度為2%的水溶液，加入糖質(zhì)酒精安琪酵母，加入的糖質(zhì)酒精安琪酵母是步驟g)得到的糖汁溶液總重量的I/萬(wàn)，無(wú)菌風(fēng)增氧條件下進(jìn)行酵母擴(kuò)繁廣3小時(shí)；然后將擴(kuò)繁后的酵母加入步驟g)調(diào)配好的剩余糖汁中，充分混合，厭氧發(fā)酵2(T48小時(shí)，檢測(cè)殘余還原糖含量，當(dāng)還原糖含量小于0. 5%并連續(xù)3次檢測(cè)維持不變時(shí)，酒精發(fā)酵結(jié)束，得到活酵母沉淀物和清液1，清液I經(jīng)蒸餾得到40%v/v的粗酒和醪液； i)步驟h)蒸餾后得到的醪液，按其中干物質(zhì)重量的4 7%加入活性炭，完成醪液的脫色，過(guò)濾獲得清液2和活性炭渣2 ;去除清液2中的帶電鹽分離子，然后經(jīng)濃縮、降溫、加晶核、結(jié)晶、干燥，獲得木糖結(jié)晶粉；將步驟f)得到的活性炭渣I與本步驟得到的所有廢棄物混合，得到液體肥料。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟f)中，得到的果膠固形物進(jìn)一步經(jīng)清洗、干燥、粉碎后獲得果膠粉。
4.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟h)中，得到的粗酒進(jìn)一步通過(guò)常規(guī)方法制備得到燃料乙醇。
5.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟i)所述的去除清液2中的帶電鹽分離子通過(guò)離子交換和納米超濾的方法完成。
6.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟i)所述的本步驟得到的所有廢棄物包括活性炭渣2、去除清液2中的帶電鹽分離子時(shí)得到的廢液、和/或濃縮、降溫、結(jié)晶和干燥過(guò)程得到的廢液。
7.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟e)中，先將所述萃取液與步驟d)得到的木質(zhì)素溶液混合后再去除和回收混合溶液中的乙醇。
8.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟f)蒸餾后得到的糖汁酸液2用于步驟a)的第一次酸解或步驟b)的二次酸解。
9.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟e)或步驟f)回收的乙醇中的一種或兩種和步驟h)蒸餾得到的粗酒合并，經(jīng)過(guò)精餾、脫水后得到95%以上的燃料乙醇；步驟h)得到的活酵母返回步驟h)的擴(kuò)繁程序循環(huán)使用，重復(fù)利用6次后，回收制備得到酵母蛋白飼料。
10.權(quán)利要求I所述的方法，具體步驟如下 1)采收玉米秸桿，可以是新鮮秸桿，亦可以是曬干的秸桿。原料運(yùn)至加工廠后，采用ZL200910136184. 3中公開(kāi)的大批量秸桿除葉裝置去除玉米秸桿葉子，該機(jī)器在清除秸桿葉子的同時(shí)，直接將玉米秸桿打成長(zhǎng)度小于2厘米絲狀物； 2)將95%濃硫酸，用4-10%濃度的稀糖汁配制成含5%。稀硫酸的稀糖汁液，以備制漿使用；所需稀糖汁液的總量按所處理秸桿體積的1/5準(zhǔn)備；秸桿處理量完成至1/5后，產(chǎn)出的步驟17)獲得的稀糖汁可替代本步驟配制的稀糖汁液，用于制漿； 3)用不銹鋼泵將步驟2)制備的稀糖汁液或者步驟10)和步驟17)得到的稀糖汁液泵入耐酸高濃磨漿機(jī)進(jìn)料口，形成連續(xù)不斷的水流以備送料制漿；用輸送帶將步驟I)制成的玉米秸桿的絲狀物料，源源不斷地從磨漿機(jī)進(jìn)料口喂入，調(diào)整稀酸或者稀糖汁流量，使之與秸桿體積比為疒5 I混合物料，通過(guò)耐酸磨漿機(jī)制成超過(guò)80目的稀酸漿料，漿料從磨漿機(jī)出口排進(jìn)制漿池； 4)將步驟3)制成的漿料，用螺桿泵輸送入搪瓷反應(yīng)罐，然后控制漿料中的水含量不超過(guò) 85% ； 5)用10%的稀硫酸溶液調(diào)整硫酸濃度，使步驟4)得到的漿料中硫酸濃度保持在5%。的目標(biāo)濃度； 6)待步驟5)的漿料硫酸濃度調(diào)好后，關(guān)閉反應(yīng)罐，送蒸汽加溫，直至罐內(nèi)溫度升至90° C，保持30分鐘，完成玉米秸桿一次酸解，使玉米秸桿的果膠充分溶解進(jìn)入稀酸液； 7)將步驟6)酸解處理后的玉米秸桿漿料從反應(yīng)罐中排放到料倉(cāng)，然后用不銹鋼切割泵，通過(guò)不銹鋼管道將熱漿料送入不銹鋼擠漿機(jī)，至此，步驟6)的漿料被分離成含水50%的渣料和富含果膠和糖汁的水溶液； 8)將步驟7)得到的渣料，按其體積的2倍加步驟2)配制的稀糖汁液，浸泡20分鐘，再用螺桿泵泵入搪瓷反應(yīng)罐，待漿料灌滿(mǎn)后，關(guān)閉反應(yīng)罐，通入蒸汽，使溫度上升至120°C，保持I小時(shí)，完成二次酸解，使渣料的淀粉、半纖維素、多糖充分降解； 9)待步驟8)搪瓷反應(yīng)罐溫度降至100°C以下時(shí)，將二次酸解處理后的漿料排入料倉(cāng)，再用耐溫切割泵送入擠漿機(jī)，將步驟8)處理后的漿料分離成渣料和富含降解糖的水溶液； 10)將步驟9)獲得的渣料，按體積I: I加入清水浸泡，待渣料糖汁充分浸出后，再用擠漿機(jī)壓榨，獲得稀糖汁和渣料，稀糖汁返回步驟3)制漿； 11)將步驟10)獲得的渣料，按渣料體積的5倍加入30%乙醇，按lg/L比例添加KOH催化劑，混勻后，用螺桿泵送入搪瓷反應(yīng)罐，關(guān)閉反應(yīng)罐，送入蒸汽加熱，使溫度上升至100°C， 保持I小時(shí)，完成渣料的醇解過(guò)程，使渣料的木質(zhì)素充分降解； 12)待步驟11)醇解后的漿料，溫度降至50°C以下，將漿料排入料倉(cāng)，然后用切割泵泵入擠漿機(jī)，將纖維素與木質(zhì)素溶液分離； 13)將步驟12)獲得的渣料，先用30%乙醇清洗，然后用清水洗凈，漂白，即獲得纖維素； 14)將步驟12)和步驟13)獲得的木質(zhì)素乙醇萃取液蒸餾，使溶液中的乙醇濃度降低，同時(shí)回收酒液；濃縮液待乙醇揮發(fā)殆盡，由于木質(zhì)素不溶于水而析出，將析出木質(zhì)素過(guò)濾，洗凈，干燥，即獲得木質(zhì)素；回收的酒液繼續(xù)用于醇析，或用于蒸餾燃料乙醇； 15)將步驟7)獲得的果膠液，用耐酸泵送入耐酸罐內(nèi)，按與玉米秸桿干物質(zhì)4 7%比例添加活性炭，進(jìn)行果膠液脫色；脫色后過(guò)濾獲得的果膠液，按果膠液體積的I. 5倍加95%乙醇，完成果膠醇析過(guò)程，使果膠變成絮狀物析出；再將富含果膠絮狀物的漿液，用切割泵送入離心機(jī)，將糖汁和果膠分離；糖汁送入蒸餾器蒸餾，回收乙醇； 16)清洗步驟15)過(guò)濾獲得的果膠固形物，干燥，粉碎，即獲得果膠粉； 17)將步驟9)得到的富含降解糖的水溶液和步驟15)糖汁蒸餾后獲得的糖汁酸液混合，控制糖濃度在18-20%; 18)將步驟17)得到的濃度在18-20%的糖汁，按生成的(NH4)2SO4為lg/L的比例加氨/K，按10g/L的比例加MgSO4、按5g/L的比例加腿#04、按5g/L的比例加CaCl2,再加少量熟石灰，將水溶液至pH值調(diào)整至4到5 ; 19)按步驟18)調(diào)制好的糖汁溶液，取其中的1/1000，稀釋成糖度為2%的水溶液，投入酵母罐中，按步驟18)制備糖液的I/萬(wàn)比例取糖質(zhì)酒精安琪酵母，投入罐中，并用無(wú)菌風(fēng)給罐中稀糖液增氧，進(jìn)行酵母擴(kuò)繁2小時(shí)； 20)將步驟18)調(diào)制好的水溶液，用自吸泵抽送入發(fā)酵袋，同時(shí)將步驟19)擴(kuò)繁的酵母液，隨抽入發(fā)酵袋的水溶液投入發(fā)酵袋中，然后封閉發(fā)酵袋進(jìn)行厭氧發(fā)酵20至48小時(shí)，檢測(cè)殘余還原糖含量，當(dāng)還原糖含量小于0. 5%并連續(xù)3次檢測(cè)維持不變時(shí)，酒精發(fā)酵結(jié)束，得到殘留的沉淀物和酒液清液； 21)保留步驟20)發(fā)酵袋內(nèi)殘留的沉淀物一活酵母，用于下次糖液發(fā)酵，重復(fù)利用6次后，待酵母活性下降，回收酵母，清洗，干燥，用于制備酵母蛋白飼料； 22)提取步驟20)發(fā)酵成熟后的酒液清液，用自吸泵抽送入蒸餾釜，經(jīng)過(guò)蒸餾提取40%(v/v)粗酒，再與步驟14)回收的酒液和步驟15)回收的乙醇一起精餾、脫水提取濃度不低于95%(v/v)的燃料乙醇和醪液； 23)將步驟22)蒸餾后的醪液，按溶液中干物質(zhì)4 7%比例，加活性炭，完成醪液的脫色；過(guò)濾獲得清液和活性炭渣； 24)將步驟23)獲得的清液，通過(guò)陰、陽(yáng)、陰離子交換柱，部分去除溶液中的陰、陽(yáng)離子，獲得富含木糖的溶液； 25)將步驟24)獲得的溶液，通過(guò)納米超濾，進(jìn)一步去除溶液的帶電鹽分離子； 26)將步驟25)獲得的木糖溶液濃縮，降溫，加晶核，結(jié)晶，干燥，獲得木糖結(jié)晶粉； 27)將步驟26)、25)、24)的廢液和步驟23)、15)的廢渣及步驟24)離子交換柱洗脫液混合，得到液體肥料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種玉米秸稈的綜合利用方法，是以玉米稈為原料，通過(guò)連續(xù)的成套工藝聯(lián)產(chǎn)乙醇、纖維、木質(zhì)素、果膠、木糖和酵母的方法；具體講，是先將玉米稈利用酸解法將其中的多糖、果膠、淀粉等可降解物降解為可溶性物質(zhì)水溶液，實(shí)現(xiàn)渣料與可降解物的分離，然后將得到的可溶性物質(zhì)水溶液用于發(fā)酵提取燃料乙醇、果膠、木糖，分離得到的渣料再用有機(jī)溶劑法生產(chǎn)纖維和木質(zhì)素。本發(fā)明所述的方法通過(guò)綜合利用玉米秸稈資源，聯(lián)合生產(chǎn)乙醇、纖維、木質(zhì)素、果膠、木糖和酵母，從而分?jǐn)傆衩捉斩挼木C合利用成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程污染物零排放，提高玉米秸稈資源利用效率。
文檔編號(hào)A23K1/16GK102796768SQ20121026623
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者張永北, 張愛(ài)誠(chéng), 羅靖, 陳武 申請(qǐng)人:張愛(ài)誠(chéng)