农作物秸秆光合产氢的预处理方法.pdf

本发明公开一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法，包括将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物；向第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min-35min得到第二产物；将第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性或微碱性得到预处理产物。采用本发明的上述农作物秸秆光合产氢的预处理方法，将秸秆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部分β-1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等单糖。更有利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合产氢的速率和原料的转化率。

1.一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物；向所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持15min-35min得到第二产物；将所述第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性或微碱性得到预处理产物。 2.如权利要求1所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物步骤中，第一产物破碎至超微细度。 3.如权利要求1或2所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，向所述第一产物中加入乙酸溶液的浓度为25%。 4.如权利要要求1或2所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下保持31min。 5.如权利要求2所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，将农作物秸秆进行机械粉碎的同时加入双氧水，并在温度为40℃-60℃下进行机械破碎。 6.如权利要求5所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述机械破碎为震动球磨研磨破碎。 7.如权利要求4所述的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，其特征在于，所述高温高压条件为：温度100℃-130℃、气压102kPa-104kPa。

技术领域

本发明涉及光合产氢技术领域，特别涉及一种农作物秸秆光合产氢的预 处理方法。

背景技术

众所周知光合细菌（Photosynthetic bacteria，PSB）在光照的条件下，其 菌体光捕获复合体上的细菌叶绿素Bch1和类胡萝卜素吸收光子后，将能量传 送到光合反应中心RC，从而产生一个高能电子e*，由于光合细菌只具有光合 系统I(PSI)，所以该高能电子只能经环式磷酸化产生ATP或者非环式磷酸化产 生少量ATP和NADH2(或NADPH2)。光合细菌的固氮酶利用光合磷酸化产生的 ATP及NADH2(或NADPH2)所提供的H+和e-，并没有完全将N2还原成NH3，而 是有一部分e-在氢酶的协同作用下将H+还原为H2。

而在我国年产约7×109t的农作物秸秆，秸秆中富含大量的木质纤维素，通 过生物发酵等处理可以转化为可再生糖类资源，而产生的糖类是光合细菌在 发酵产氢过程中所需的原料底物，成本低收益高，因此在生物产氢的工业生 产中常常被采用。

但是现有利用秸秆光合作用生产氢气能源的过程中，由于秸秆本身的物 质组成中所含有的大量难降解的木质素和纤维素组成复杂的微纤维、结晶区 和无定形区等纤维聚合物。这些结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度 水不溶性，非常难于被厌氧微生物利用，因此采用秸秆进行产氢的转化速度 和转化率非常低，在使用中难以达到预期的效果。

发明内容

本发明的主要目的为了弥补上述问题，提供一种能有效改善光合产氢的 秸秆的结构成分、使之能较好地被光合细菌用于发酵从而实现提高产氢转化 速度和转化率的预处理方法。

本发明提出一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法，包括如下步骤：

将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物；

向所述第一产物加入质量分数为20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条 件下保持15min-35min得到第二产物；

将所述第二产物冷却至25℃左右，并用碱液调节pH值至中性或微碱性 得到预处理产物。

优选地，所述将农作物秸秆进行机械粉碎得到第一产物步骤中，第一产 物破碎至超微细度。

优选地，向所述第一产物中加入乙酸溶液的浓度为25%。

优选地，所述第一产物加入20%-30%的乙酸溶液后置于高温高压条件下 保持31min。

优选地，将农作物秸秆进行机械粉碎的同时加入双氧水，并在40-60度的 温度下进行机械破碎。

优选地，所述机械破碎为震动球磨研磨破碎。

优选地，所述高温高压条件为：温度100℃-130℃、气压102kPa-104kPa。

采用本发明的上述农作物秸秆光合产氢的预处理方法，针对光合细菌发 酵产氢过程中，原始秸秆中性质稳定的纤维结构无法进行良好利用的问题， 将秸秆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面 积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部 分β-1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖 等单糖。更利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光合 产氢的速率和原料的转化率。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。

本发明提供了一种农作物秸秆光合产氢的预处理方法。

本发明的农作物秸秆光合产氢的预处理方法，基于物理和化学反应机理， 包括如下步骤：

S10，将农作物秸秆进行机械粉碎。

一般农作物秸秆（比如高粱秆、麦秆、稻秆）其本身的体积比较大，其 外表面均含有外壁，在有外壁的情形下难以直接被光合细菌利用，因此首先 将农作物的秸秆进行机械粉碎。

上述步骤中可以采用常用的干法粉碎，直接将原料破碎至比较合适的细 度。为了取得更好的效果，本实施方式中，采用震动球磨研磨破碎的方法， 将秸秆通过震动球磨机械冲击中进行研磨。通过球磨的震动对秸秆进行机械 方式的破碎，相比其他的破碎方法可以使纤维素的结构松散，和使微纤中及 微纤间晶区中存在的分子间氢键断裂，从而使棉纤维的水解速率和糖类物质 的转化率提高。

通过对秸秆进行机械粉碎至使原料的尺寸变小，一方面增大了纤维素原 料的比表面积，另一方面破坏了其结晶性，经粉碎的纤维素粉末没有膨胀性， 体积小，可以提高基质浓度，更加利于光合细菌的利用。

S20，将秸秆经机械粉碎后的第一产物加入浓度为20%-30%的乙酸后，在 高温高压环境下保持15min-35min。

在实际中，是将秸秆机械粉碎后的产物加入上述比例的乙酸溶液至湿润 的程度，然后在置入高压灭菌锅中保持15min-35min，一般高压灭菌锅中的温 度100℃-13℃、压力为102kPa-104kPa。

将上述粉碎后的秸秆产物进行高温高压处理，由于添加了乙酸，那么在 高温高压处理的过程中，秸秆中的纤维素、半纤维素等等会在酸性条件下发 生水解反应，产生还原性糖类物质用于光合细菌发酵过程中的底物和原料， 直接被光合细菌利用。同时更加主要地，乙酸这一物质本身可以作为光合细 菌产氢的底物和催化，比如沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris)可以 直接以乙酸为底物进行光合产氢的原料进行反应，且反应的速率和产物的转 化率比较高。

同时，经过该步骤处理，还能将秸秆中本身存在的其他杂菌灭除，以防 止在发酵过程中对光合细菌生长产生抑制干扰。

S30，将步骤S20处理之后的第二产物冷却，并用碱液调节pH值至中性 或者微碱性。

由于在步骤S20中获取的第二产物中，由于其还含有一定量的乙酸，在 酸性的环境下，光合细菌大多无法正常生长，而不能进行发酵产氢，因此需 要进行pH值调整，使产物的化学环境适于光合细菌生长。

采用本发明的上述农作物秸秆光合产氢的预处理方法，针对光合细菌发 酵产氢过程中，原始秸秆中性质稳定的纤维结构无法进行良好利用的问题， 将秸秆首先粉碎然后在乙酸的条件下进行水解，增大了纤维素原料的比表面 积，破坏了纤维结晶性，使晶体纤维素成为无定型纤维素，并进一步打断部 分β-1，4-糖苷键，降低聚合度；半纤维素被水解为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖 等单糖。更加利于被光合细菌作为发酵产氢的底物直接利用，大大提高了光 合产氢的速率和原料的转化率。

进一步地，在上述实施方式中，步骤S10中将秸秆原料破碎至超微的细 度，因为出于上述破坏纤维结构和增加光合细菌发酵中接触的立意，本发明 中分别采取将同样质量（每次5g，重复3次）的秸秆原料机械破碎至120目、 150目、180目和超微的细度，按照上述预处理之后的产物取相同的质量的预 处理产物，用碱性酒石酸铜液滴定法进行还原性糖的量的测试结果如下表1。

表1：

破碎细度 120目 150目 180目 超微 还原性糖得率 8.24% 12.63% 16.57% 24.66%

因此，本发明优选将机械破碎的细度至超微，那么破碎的更彻底，预处 理后限位结构破坏和分解的程度高，且与光合细菌在发酵中产生的酶的亲和 接触更加容易。

同时，在上述实施方式中，机械破碎的过程中，可以加入双氧水，并将 破碎的温度升温至40℃-60℃。这一手段提供一个温湿且氧化的环境，将秸秆 原料在破碎过程中会发生氧化，秸秆纤维结构能保持原来的骨架，但是又能 使木质素和半纤维素溶解于碱液中而与纤维素分离，这样得到的纯度较高。

进一步地，在上述实施方式中，步骤S20中加入乙酸的浓度为25%。在 上述步骤下为了取得更优的方案，较少原料浪费，提升产率，取上述相同质 量比重的秸秆原料按照上述预处理的过程进行处理，但对于添加的乙酸的浓 度分别控制为16%、19%、22%、25%、29%；并同样采用碱性酒石酸铜液滴 定法进行还原性糖的量的测试结果如下表2。

表2：

乙酸浓度 16% 19% 22% 25% 29% 还原性糖得率 24.68% 28.73% 32.47% 38.75% 30.49%

针对上述情形，可能是由于乙酸的浓度超过一定的值时，所产生的还原 性糖在乙酸的条件下分解或者转化，使得产率降低，因此本发明采用25%的 浓度为最适的浓度。那么可以本发明的方案在最优的情形下进行工业实施。

进一步地，在上述实施方式中，为了保证在加入乙酸之后的纤维降解能 够比较好，那么同样在采用取相同质量比重的秸秆原料按照上述预处理的步 骤进行处理，但是将步骤S20中的加入乙酸后在高温高压下保持的时间分别 控制为15min、19min、23min、27min、31min、35min；同样再采用碱性酒 石酸铜液滴定法进行还原性糖的量的测试结果如下表3。

表3：

时间 15 19 23 27 31 35 还原性糖得率 24.64% 29.37% 32.41% 38.49% 45.67% 32.45%

经过上述情形，可能在保持一定时间以后，由于水解过程的进行，水解 已经达到平衡，同时产物开始分解或者异构生成其他的物质，导致目标产物 降低，因此同样为了取得更好的效果，在上述实施方式中，步骤S20的时间 控制在31min，效果和成本的收益比最大。

将本发明中经过上述预处理之后的原料与直接研磨成粉的秸秆材料，在 相同的条件下进行发酵培养，生产氢气。具体如下：

以玉米杆子为原料，选取上述预处理之后的玉米杆子料液（密度调整为 65g/L）和直接切碎秸秆并采用20%葡萄糖缓冲液做溶剂着制成的对照组料液 （密度也调整为65g/L），接种处于对数期的光合细菌的种子液，接种量 18%-25%，然后在厌氧发酵罐中进行发酵培养。并且控制光照强度为2900Lx， 大致在不足一个星期进入生长衰退期之前就可以结束培养。

在培养的过程中达到稳定期时产氢的效率经过乙酸预处理后的为 34.68mL/h.L；而对照组的产氢效率为18.75mL/h.L，且还有一部分产氢是因 为对照中葡糖糖底物的原因，因此可以比较明显地看出采用本发明的上述与 处理之后的步骤具有显著的提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关 的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。