一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物质废弃物资源化利用技术领域，特别是指一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法。
【背景技术】
[0002]中药渣是中药制备过程中所产生的废弃物，是一种典型的工业生物质，通常是经过煎煮、发酵等工业生产后的废弃物，属于一种形态复杂、含水率较高生物质。目前，国内共有中药企业达2000家，我国每年仅植物类药渣的排放量就高达70万余吨。药渣一般为湿物料，极易腐烂，味道臭异。对于中药渣的处理传统方法为焚烧、填埋和固定区域堆放等，这些处理方法不仅耗去大量资金，更造成了资源浪费和严重的污染。
[0003]CN201410335304.3公开了一种以中药渣和甘蔗渣为调理剂及外加碳源与餐厨垃圾混合制备堆肥的方法，该方法通过投加中药渣和甘蔗渣作为调理剂，可以调节餐厨垃圾的含水率，改善餐厨垃圾的结构、孔隙度和透气性，促进了餐厨垃圾堆肥的有效进行。但是中药渣中大部分组分为木质纤维素类物质，如何将其进行充分利用是中药渣资源化利用的关键。
[0004]植物类药渣中所含的木质纤维素，其主要成分是纤维素、木质素和半纤维素，其中纤维素可以考虑将其作为碳源进行利用，特别是经过合适的预处理将其作为乙醇发酵的原料，此举可使得固体废弃物更大程度的资源化，且节约乙醇发酵成本。乙醇发酵会产生发酵残渣，作为植物类药渣，发酵残渣含有未利用的纤维素和未降解的木质素。木质素含碳量高达50%以上，是生产碳素材料的合适原料，可以制备生物炭。用发酵残渣制备生物炭，可以增加生物炭制备的新来源，为生物质废弃物的资源化利用提供理论支持。在应用中，采用合适的预处理方式，不仅有利于纤维素原料的利用，同时也可以为木质素创造出多孔的结构，从而有利于其后续的生物炭的制备。
[0005]目前针对中药渣进行乙醇发酵，发酵残渣进行资源化利用的梯级方式尚未见报道，发酵残渣进一步利用可以解决生物质能高附加值利用问题，具有良好的经济效益和巨大的社会效益。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法，以达到中药渣梯级资源化利用的目的。
[0007]该方法具体包括如下步骤:
[0008](I)将中药渣粉碎至目数为20?100目，进行稀碱预处理，预处理结束后冷却至室温;
[0009](2)控制固液比为0.05?0.2，S卩1g中药渣的总发酵体积为50?200mL，固液比为中药渣干重与水的质量比；按0.5?5.0g/L总发酵体积加入KH2PO4;按碳氮比15:1?30:1加入氮含量丰富的物质，得到楽液；
[0010](3)调节步骤(2)所得浆液pH为4.5?5.5，按照每克干重中药渣50?100酶活力单位加入纤维素酶，按照每克干重中药渣0.005-0.05g接入安琪酵母，混合均匀，在温度为30?37°C，转速为O?200r/min下隔绝空气发酵48?108h;
[0011](4)发酵结束后，将发酵液蒸馏得到乙醇产品和发酵残渣；
[0012](5)将步骤(4)所得的发酵残渣干燥至含水率小于10% ;
[0013](6)将步骤(5)中所得干燥后的粉末置于高温管式炉中，在80?120mL/min氮气氛围下，以升温速率5?10°C/min升温到500?700°C，恒温处理3小时，自然冷却到室温后取出，制得生物炭。
[OOM]其中，步骤(I)中稀碱预处理具体为:按1g中药渣(干重)用50-150ml的氢氧化钠溶液计，向粉碎后的中药渣中加入质量浓度为1.0 %?2.0 %的氢氧化钠溶液，置于灭菌锅，在110?140°C下高温高压处理10?60min。
[0015]步骤(2)中总发酵体积的计算方法为所添加中药渣的干重(单位:g)与固液比的比值，单位为mL;步骤(2)中碳氮比为中药渣中的碳含量与氮含量丰富的物质中的氮含量的比值，碳含量和氮含量由元素分析仪测得。
[0016]步骤(4)中纤维素酶的酶活力定义为:Ig酶粉于50°C、pH值4.8的条件下，Imin水解底物(滤纸、CMC、脱脂棉或水杨素)产生Iyg葡萄糖的酶量，即为I个酶活力单位。
[0017]上述方法处理的中药渣为木质纤维素类中药渣，如贯叶连翘药渣;所用的氮含量丰富的物质为硫酸铵、丹参药渣、豆渣、酒糟中的一种或几种。
[0018]此外，步骤(6)中制备的生物炭按照Ig生物炭加入20mL 1.0mol/L的HCl溶液处理4小时，再用去离子水中将其洗至中性，最后烘箱中80°C下烘干备用。
[0019]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0020]该方法实现了木质纤维素原料资源化，对扩大固体废物用途，开辟乙醇、生物炭的新来源具有重要意义，同时节约乙醇发酵成本，解决生物质能高附加值利用问题，具有良好的经济效益和巨大的社会效益。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
[0022]本发明提供一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法。
[0023]实施例1
[0024]采用本发明方法对贯叶连翘药渣进行梯级利用，制备乙醇和生物炭。具体步骤如下:
[0025](I)将含水率为8.8 %的贯叶连翘药渣粉碎至目数为40目的粉末，称取10.0g贯叶连翘药渣，向药渣中加入2.0 %的氢氧化钠溶液10mL，置于灭菌锅，120°C、121MPa下浸泡1min，预处理结束后冷却至室温；
[0026](2)按1.5g/L(总发酵体积)加入KH2PO4，按碳氮比为20:1加入丹参药渣；
[0027](3)调节步骤(2)中浆液pH为5.0;
[0028](4)向上述所得浆液中，按每克贯叶连翘药渣(干重)0.005g接入安琪酵母，按每克贯叶连翘药渣100酶活力单位加入纤维素酶，在37°C下隔绝空气静置发酵72h，获得乙醇的产量为6.0g/L，8卩0.09g/g(干药渣)；
[0029](5)将发酵液进行蒸馏，获得乙醇产品和发酵残渣；
[0030](6)将所得发酵残渣在105°C的温度下干燥至含水率小于10% ;
[0031](7)将上述得到的粉末置于高温管式炉中，在100mL/min氮气氛围下，以升温速率5°C/min升温到700°C，恒温处理3小时，自然冷却到室温后取出，制得产品生物炭；
[0032](8)取一定质量的亚甲基蓝，配置成浓度为5mg/L的亚甲基蓝溶液，加入0.0lg热解炭在30°C，145r/min的条件下振荡24h至吸附平衡，取适量的亚甲基蓝溶液于离心管中，放入离心机中进行固液分离。取上清液用紫外可见光分光光度计在波长665nm下检测其吸光度。测得吸光度为0.560，经计算得生物炭对亚甲基蓝的脱色率为49 %。
[0033]对比试验1:
[0034](I)将含水率为8.8 %的贯叶连翘药渣粉碎至目数为40目的粉末，称取10.0g贯叶连翘药渣，向药渣中加入2.0 %的氢氧化钠溶液10mL，置于灭菌锅，120°C、121MPa下浸泡1min，预处理结束后冷却至室温；
[0035](2)按1.5g/L(总发酵体积)加入KH2PO4;
[0036](3)调节 pH为5.0;
[0037](4)向上述所得浆液中，按每克贯叶连翘药渣(干重)0.005g接入安琪酵母，按每克贯叶连翘药渣100酶活力单位加入纤维素酶，在37°C下隔绝空气静置发酵72h。获得乙醇的产量为2.2g/L,BP0.03g/g(干药渣)。
[0038]对比试验2:
[0039](I)称取含水率为8.8%的贯叶连翘药渣10.0g，在105°C的温度下干燥至含水率小于 10% ；
[0040](2)将上述所得粉末置于高温管式炉中，在lOOmL/min氮气氛围下，以升温速率5°C/min升温到700°C，恒温处理3小时，自然冷却到室温后取出，制得产品生物炭；
[0041 ] (3)取一定质量的亚甲基蓝，配置成浓度为5mg/L的亚甲基蓝溶液，加入0.0lg热解炭在30°C，145r/min的条件下振荡24h至吸附平衡，取适量的亚甲基蓝溶液于离心管中，放入离心机中进行固液分离。取上清液用紫外可见光分光光度计在波长665nm下检测其吸光度。测得吸光度为0.858，经计算生物炭的对亚甲基蓝的脱色率为22%。
[0042]结果表明添加丹参氮源物质可提高木质纤维素类中药渣的乙醇发酵产量3.8g/L，碱预处理乙醇发酵残渣生物炭比原药渣生物炭对亚甲基蓝脱色率提高27%。
[0043]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法，其特征在于:该方法步骤如下: (1)将中药渣粉碎至目数为20?100目，进行稀碱预处理，预处理结束后冷却至室温； (2)控制固液比为0.05?0.2，即1g中药渣的总发酵体积为50?200mL，固液比为中药渣干重与水的质量比；按0.5?5.0g/L总发酵体积加入KH2PO4;按碳氮比15:1?30:1加入氮含量丰富的物质，得到浆液； (3)调节步骤(2)所得浆液pH为4.5?5.5，按照每克干重中药渣50?100酶活力单位加入纤维素酶，按照每克干重中药渣0.005-0.05g接入安琪酵母，混合均匀，在温度为30?37°C，转速为O?200r/min下隔绝空气发酵48?108h; (4)发酵结束后，将发酵液蒸馏得到乙醇产品和发酵残渣； (5)将步骤(4)所得的发酵残渣干燥至含水率小于10%; (6)将步骤(5)中所得干燥后的粉末置于高温管式炉中，在80?120mL/min氮气氛围下，以升温速率5?10°C/min升温到500?700°C，恒温处理3小时，自然冷却到室温后取出，制得生物炭。2.根据权利要求1所述的一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法，其特征在于:所述中药渣为贯叶连翘药渣。3.根据权利要求1所述的一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法，其特征在于:所述步骤(I)中稀碱预处理具体为:按1g中药渣(干重)用50-150ml的氢氧化钠溶液计，向粉碎后的中药渣中加入质量浓度为1.0 %?2.0 %的氢氧化钠溶液，置于灭菌锅，在110?140°C下高温高压处理10?60min。4.根据权利要求1所述的一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法，其特征在于:所述步骤(2)中碳氮比为中药渣中的碳含量与氮含量丰富的物质中的氮含量的比值，碳含量和氮含量由元素分析仪测得。5.根据权利要求1所述的一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法，其特征在于:所述步骤(2)中氮含量丰富的物质为硫酸铵、丹参药渣、豆渣、酒糟中的一种或几种。
【专利摘要】本发明提供一种梯级利用中药渣制备乙醇和生物炭的方法，属于生物质废弃物资源化利用技术领域。该方法将中药渣稀碱预处理，并添加氮含量丰富的物质进行乙醇发酵，乙醇发酵固体残渣在高温管式炉氮气氛围下热解制备生物炭。本发明实现了一种梯级利用中药渣的方法，乙醇发酵可提高木质纤维素类中药渣的乙醇得率1～3倍，提高对亚甲基蓝吸附率20～30％，使纤维素和木质素得到更加有效的利用。本发明实现了木质纤维素原料资源化，对扩大固体废物用途，开辟乙醇、生物炭的新来源具有重要意义，同时节约乙醇发酵成本，解决生物质能高附加值利用问题，具有良好的经济效益和巨大的社会效益。
【IPC分类】C12P7/10, C12P19/14, C01B31/02
【公开号】CN105505998
【申请号】CN201510932790
【发明人】马鸿志, 王睿, 周全, 张凤英, 王晓娜, 汪群慧
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月15日