一种利用秸秆生产甲烷气和木质素等的方法及装置

摘要

本发明一种利用秸秆生产甲烷气和木质素等的方法及装置，方法包括：除杂和粉碎秸秆得到秸秆粉；将其送进水解设备，控制水解程度使得半纤维素全部水解，纤维素水解20％-100％；上层水解液送进厌氧发酵池发酵得到粗甲烷气；下层木质素浆液排出，经过滤、干燥得到木质素粉末。秸秆水解酶包括质量比为1：1.2-10：0.8-5：1.5-8的外切β葡聚糖酶、内切β葡聚糖酶、β葡萄糖苷酶以及木聚糖酶；其培养物中添加有诱导物激活剂；使用时添加发酵剂。本发明的方法和实施该方法而专门设计的装置充分利用秸秆，得到甲烷气和木质素，并可调节秸秆水解程度生产出市场所需产物，用于不同化工原料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用秸秆生产甲烷气和木质素的方法及装置，属于农业废弃物有效利用 及环境保护领域。

背景技术

我国每年农业废弃物量约7亿吨，相当数量的秸秆被堆弃于田间地头、场院房头或就地 焚烧，未得到有效处理和利用，造成了极大的资源浪费和环境污染。同时，世界性的能源危 机日趋加重，亟待开发可替代石油、煤炭的新型能源，特别是可再生能源。农作物秸秆的主 要成分为纤维素类的碳化合物，利用生物炼制技术把秸秆等农业废弃物转化成新材料及能源， 不仅解决了秸秆等农业废弃物焚烧带来的环境污染问题，同时能够替代传统森林木质材料及 化石能源，更为重要的是为保护我国的林业资源和大气环境提供了有效支撑。因此秸秆等农 业废弃物作为一种可再生的清洁生物能源受到了世界各国的高度重视。

秸秆中的纤维素类物质包括半纤维素、纤维素以及木质素，目前国内对秸秆的主要处理 方式比较单一，要么将其制成纤维素乙醇，作为汽油添加剂或其他化工原料，如中国专利 ZL02151719.3，制成生物制乙醇无法有效利用秸秆中的木质素部分，对秸秆的利用效率低， 造成大量的浪费，甚至是二次污染。或者就是经气化炉焚烧制成秸秆气，经压缩、催化反应、 脱水、脱二氧化碳制备成生物质天然气，如中国专利CN200910175357.2。该工艺流程长，投 资高，二氧化碳排放量大，并且无法有效利用木质素的价值。再者是利用酸、水解酶处理秸 秆，使纤维素和半纤维素完全水解，得到木质素，如中国专利ZL200310121807.2，此方法需 要使用大量的水解酶，生产成本高，而且不能有效利用水解产物，秸秆利用率低。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，更高效地利用农作物秸秆的价值，本发明提出一种利用秸 秆生产甲烷气和木质素的方法，同时生产甲烷气和木质素。本发明还涉及一种利用秸秆生产 甲烷气和木质素的装置。所述秸秆为玉米、小麦、水稻等农作物的秸秆，秸秆的主要成分是 半纤维素、纤维素和木质素。

本发明的技术内容：

一种利用秸秆生产甲烷气和木质素的方法，包括以下步骤：

首先对秸秆依次进行除杂和粉碎处理，得到秸秆粉；然后将所述秸秆粉送进水解设备， 在秸秆水解酶的作用下控制水解程度，使得半纤维素全部水解，纤维素水解20％-100％，得 到秸秆水解液和下层木质素浆液的混合物；分离所述混合物并将所述水解液送进厌氧发酵池 进行发酵，得到粗甲烷气；并及时将所述木质素浆液排出所述水解设备，经过滤、干燥得到 木质素粉末，

其中所述秸秆水解酶是多组分酶系，包括质量比为1：1.2-10：0.8-5：1.5-8的外切β葡 聚糖酶、内切β葡聚糖酶、β葡萄糖苷酶以及木聚糖酶；所述水解酶的培养物中添加有质量 分数为2-15％的诱导物激活剂，包括槐糖、乳糖、醋酸酯及表面活性剂；使用时水解酶内添 加有质量分数为2-15％的发酵剂。

所述水解设备为3-4台连续串联的水解罐，操作温度为30-50℃，操作压力微正压，pH 值为4.0-5.5，所述水解罐中加入质量比为100：5-40：200-800的秸秆、水解酶、水解水，水 解时间为0.5-5小时。

所述粉碎包括机械切碎和气爆粉碎，机械切碎后所述秸秆的长度为2-15cm；所述气爆粉 碎在气爆装置中进行，气爆压力为1.0MPa-2.0MPa，气爆时间为40-120秒。

所述混合物的分离方式为真空吸滤和板框过滤结合；所述木质素浆液过滤后得到的液体 被送入所述厌氧发酵池，得到固体沉淀被送入干燥装置。

所述厌氧发酵池被通入污泥含量5-10％wt的生活污水，池内温度为30-55℃，厌氧反应 周期为15-25天。

所述粗甲烷被送入吸附净化器，得到甲烷含量超过95％的天然气。

当外切β葡聚糖酶、内切β葡聚糖酶、β葡萄糖苷酶、木聚糖酶的比例范围为1.0：1.2-3.0： 0.8-2.5：1.5-2.5时，所述木质素粉末中纤维素含量超过85％，此时将混有纤维素的木质素粉 末加工成可降解农用地膜、可降解塑料袋；当外切β葡聚糖酶、内切β葡聚糖酶、β葡萄糖 苷酶、木聚糖酶的比例范围为1.0：7.0-10：3.5-5：5.0-8.0时，所述木质素粉末中纤维素含量 小于15％，此时将所述木质素粉末加工成家具材料。当外切β葡聚糖酶、内切β葡聚糖酶、β 葡萄糖苷酶、木聚糖酶的比例范围为1.0：3.0-7.0：2.5-3.5：2.5-5.0时，所述木质素粉末中纤 维素含量15％-85％，此时将所述木质素粉末加工成质地较软的装饰材料、文具、玩具等。

一种利用秸秆生产甲烷气和木质素的装置，包括水解设备、厌氧发酵池和木质素浆过滤 器，所述水解设备中分别通入秸秆粉、水解酶和水解水，其出口一路连接通向所述厌氧发酵 池的第一真空泵，另一路连接所述木质素浆过滤器；所述木质素浆过滤器的出口一路连接木 质素深加工装置，另一路连接通向所述厌氧发酵池的第二真空泵，

其中所述水解酶是多组分酶系，包括质量比为1：1.2-10：0.8-5：1.5-8的外切β葡聚糖 酶、内切β葡聚糖酶、β葡萄糖苷酶以及木聚糖酶；所述水解酶的培养物中添加有质量分数 为2-15％的诱导物激活剂，包括槐糖、乳糖、醋酸酯及表面活性剂；使用时水解酶内添加有 质量分数为2-15％的发酵剂。

还包括依次连接的秸秆除杂烘干设备和秸秆粉碎装置，所述秸秆粉碎装置包括机械切碎 装置和气爆粉碎装置，所述气爆粉碎装置中分别通入机械切碎的秸秆和气爆蒸汽，出口处设 置有泄压电磁阀，其连接通向所述水解设备的第三真空泵。

还包括吸附净化器，所述厌氧发酵池的出口连接所述吸附净化器，所述吸附净化器连接 乙二醇或异丁醇生产线；所述木质素深加工装置包括依次连接的干燥装置、绝氧加热装置以 及地膜成型机或塑料袋成型机或家具材料成型机。

本发明的技术效果：

本发明的一种利用秸秆生产甲烷气和木质素的方法，在生产甲烷气的同时得到含有纤维 素的木质素粉末，并以所述粉末为原料，利用其中羟基含量高以及低分散性的纤维素，可制 备可降解的地膜或塑料；利用其中含有的硬质木质素可制成木质素家居材料。综合利用秸秆 中的有效成分，解决现有技术中单一生产甲烷气类产品或木质素产品而不能综合、有效利用 秸秆的弊端。选用高活性的复合秸秆水解酶对秸秆进行水解，并对水解酶的合成进行改进， 添加诱导物激活剂消除水解过程中产生的纤维二糖和葡萄糖等抑制剂，并消除水解过程中产 生的泡沫；添加发酵剂以使半纤维素和纤维素水解生成的葡萄糖进一步分解，降低其对水解 酶的抑制作用，及时将木质素浆液从水解设备中分离，以降低其对水解酶的抑制作用，从而 提高秸秆水解的酶解效率。

本方法通过调整秸秆水解酶的种类与比例、水解酶与秸秆和水的比例以及水解罐的台数， 可控制秸秆的水解程度：将秸秆中的半纤维素完全水解，纤维素部分或全部水解，以控制甲 烷气、木质素粉末的产量以及木质素粉末中纤维素的含量，因此可根据市场需要，控制秸秆 水解程度，得到所需产物。

本发明工艺流程简单，秸秆利用率高，不污染环境，水解液发酵生成的粗甲烷气可直接 用于居民燃气、发电等，或经净化生产甲烷气含量超过95％的压缩天然气(CNG)或者液化 天然气(LNG)，用于汽车的环保燃料，也可以继续加工成乙二醇，异丁醇等基础化工原料。 未水解的木质素粉末用于化工原料，根据其组分含量生产不同产品。

附图说明

图1为本发明实施例的装置及流程示意图；

附图标记：

1-原料；2-秸秆除杂烘干设备；3-杂质和水；4-气爆设备；5-气爆蒸汽；6-泄压电磁阀； 7-水解设备；8-秸秆水解酶；9-水解水；10-厌氧发酵池；11-粗甲烷气；12-吸附净化器；13- 甲烷气；14-浆液；15-木质素过滤器；16-成型机；17-产品。

具体实施方式

为了更好的解释本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式做详细说明。

实施例1

以玉米秸秆为原料1，首先将玉米秸秆原料1送入除杂烘干设备2中除掉水分以及土、 灰等杂质，杂质和水3从下端排出。然后将干燥、除杂后的玉米秸秆机械切碎成8cm的小段 后送至气爆设备4中，向其中充入1.5MPa的饱和气爆蒸汽5，保持设备内压力稳定100s，打 开气爆设备4底部的泄压电磁阀6，瞬间泄压，完成气爆过程，原料1粉碎成0.8mm的秸秆 颗粒。粉碎的秸秆通过第三真空泵被送进水解设备7内，并向其中添加秸秆水解酶8和水解 水9，使每个水解罐中秸秆：秸秆水解酶：水解水的质量比为100:20:400，保持恒温在40℃。 秸秆水解酶包括质量比为1：8.5：4.0：7.5的外切β葡聚糖酶、内切β葡聚糖酶、β葡萄糖苷 酶和木聚糖酶，同时添加质量分数为3.5％的发酵剂。秸秆水解酶的培养物中添加有质量分数 为4.0％的诱导物激活剂，为质量比为1：1.1：1.3：0.8的槐糖、乳糖、醋酸酯及表面活性剂。 秸秆水解酶首先特异性地吸附在底物纤维素上，然后在几种组分的协同作用下水解半纤维素 和纤维素，水解反应3h，半纤维素全部水解，纤维素水解95％以上。然后使用第一真空泵将 上层水解液抽送至厌氧发酵池10中，未水解的纤维素和木质素浆液14通过木质素过滤器15 过滤分离得到固体沉淀和液体，所述液体通过第二真空泵被送入厌氧发酵池10中，固体沉淀 经干燥后得到粉末。向所述厌氧发酵池10中通入含有污泥10wt％的生活污水，厌氧发酵池的 温度调至50℃，经过20天的厌氧反应周期，生成粗甲烷气11，再将粗甲烷气11送入吸附净 化器12，除去二氧化碳等杂质即可得到纯度超过95％的甲烷气13。

所述粉末中含有的纤维素和木质素的质量比例为2-5:98-95，木质素含量高，被送入家居 材料成型机16中，加工成木质素家居材料产品17。

实施例2

将稻草原料1送进除杂烘干设备2中除掉水分以及土、灰等杂质，杂质和水3从下端排 出。然后将干燥、除杂后的稻草机械切碎成5cm的小段后送至气爆设备4中，向其中充入 1.5MPa的饱和气爆蒸汽5，保持气爆设备4内压力稳定120s，打开气爆设备4底部的泄压电 磁阀6，瞬间泄压，完成气爆过程，稻草原料1粉碎成粒径0.6mm的秸秆颗粒。粉碎的稻草 秸秆通过第三真空泵被送进水解设备4中，并向水解设备4中的每个水解罐中添加秸秆水解 酶8和水解水9，使每个水解罐中秸秆：秸秆水解酶：水解水的质量比为100:6:400，保持恒 温在40℃。秸秆水解酶包括质量比为1：1.5：1.0：1.8的外切β葡聚糖酶、内切β葡聚糖酶、 β葡萄糖苷酶、木聚糖酶，同时添加质量分数为2.2％的发酵剂。秸秆水解酶的培养物中添加 有质量分数为2.2％的诱导物激活剂，为质量比为1：1.1：1.3：0.8的槐糖、乳糖、醋酸酯及 表面活性剂。秸秆水解酶首先特异性地吸附在底物纤维素上，然后在几种组分的协同作用下 水解半纤维素和纤维素，水解反应1.5h，半纤维素全部水解，纤维素水解7％左右。然后使用 第一真空泵将上层水解液抽送至厌氧发酵池10中，下层未水解的纤维素和木质素浆液14通 过木质素过滤器15过滤分离得到固体沉淀和液体，所述液体通过第二真空泵被送入厌氧发酵 池10中，固体沉淀经干燥后得到粉末。向所述厌氧发酵池10中通入含有污泥10wt％的生活 污水，厌氧发酵池的温度调至50℃，经过20天的厌氧反应周期，生成粗甲烷气11，再将粗 甲烷气11送入吸附净化器12，除去二氧化碳等杂质即可得到纯度超过95％的甲烷气13。

所述粉末中含有纤维素与木质素的质量比例为88-98:12-2，被送入地膜成型机16中加工 成可降解农用地膜产品17。也可送入塑料袋成型机16中加工成可降解塑料袋产品17。

实施例3

本实施例为一种利用秸秆生产甲烷气和含有纤维的木质素的装置的优选方案，在本实施 例的装置中可进行实施例1或2的反应。包括秸秆除杂烘干设备2、机械切碎装置、气爆设 备4、水解设备7、厌氧发酵池10，所述气爆设备4中分别通入经干燥除杂、机械切碎的秸 秆和气爆蒸汽5，出口连接泄压电磁阀6和通向所述水解设备7的第三真空泵。所述水解设 备分别通入秸秆粉、水解酶8和水解水9，一路连接通向所述厌氧发酵池10的第一真空泵， 另一路连接木质素浆过滤器15。

所述木质素浆过滤器15的出口一路连接的干燥装置、绝氧加热装置以及不同的成型机 16，另一路连接通向所述厌氧发酵池10的第二真空泵，所述厌氧发酵池10产生粗甲烷气11。

所述厌氧发酵池10可连接居民燃气用户，也可连接吸附净化器12，当然所述吸附净化 器12后也可连接乙二醇或异丁醇生产线，进一步加工甲烷气13。

总结：

除实施例1和实施例2中的所述槐糖、乳糖、醋酸酯及表面活性剂的比例外，还可以为 1：1.1-10：1.3-15：0.8-8中的任一比例。另外，所述木质素粉末也可加工成其它材料例如质 地较软的装饰材料、文具、玩具等。此时外切β葡聚糖酶、内切β葡聚糖酶、β葡萄糖苷酶、 木聚糖酶的比例范围为1.0：3.0-7.0：2.5-3.5：2.5-5.0时，所述木质素粉末中纤维素含量 15％-85％。

从上述实施例可以看出，本发明的一种利用秸秆生产甲烷气和木质素的方法和为实施该 方法而专门设计的装置可以根据市场供应情况，通过改变工艺流程，调节秸秆水解程度从而 调节所述粉末中纤维素和木质素的比例，生产出市场所需产物，用于不同化工原料。本发明 充分利用了农业废弃物秸秆，得到了甲烷气和含有纤维的木质素粉末，秸秆利用率为100％， 变废为宝，降低了对化石能源的依赖，同时又大大减轻了环境污染。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖 在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。