徽農(nóng)學(xué)通報, Anhui agri.Sci.Bull2010,16(15)秸稈生物氣化預(yù)處理技術(shù)李浩冷云偉任恒星趙蘭(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院江蘇徐州221008)摘要:秸稈作為一種可再生能源,其生物氣化利用為解決能源問題提供了一個新的遼徑。預(yù)處理是秸稈生物氣化中一個非常重要的環(huán)節(jié),該文介紹了秸稈中木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)和目前秸稈生物氣化預(yù)處理常用的幾種方法。關(guān)鍵詞:秸稈生物氣化;預(yù)處理;生物法;化學(xué)法;物理法中圖分類號S2162文獻標(biāo)識碼A文章編號1007-7731(2010)15-57-02Research Progress in Pretreatment of Straw GasificationLI Hao et alSchool of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, JiangsuAbstract: Straws are renewable sources, which provide a new solution to solve the problem with energy The pretreatment ofstraws is a crucial step in producing biogas. This paper introduced the present pretreatment technology and gave a prospectfor the promising pretreatment methodKey words: Pretreatment technology of straw; Biological pretreatment; Chemical pretreatment; Physical pretreatment我國是一個農(nóng)業(yè)大國耕地面積約1.3×10hm2,農(nóng)作發(fā)酵原料必須首先對其進行預(yù)處理,目的就是降低纖維物秸稈資源十分豐富。據(jù)統(tǒng)計我國每年生產(chǎn)的各類農(nóng)作素的聚合度、結(jié)晶度破壞木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)合層,脫物秸稈達57×10°t,占世界秸稈總產(chǎn)量的20%-30%。去木質(zhì)素增加有效比表面積使纖維素被充分利用。目秸稈是生物質(zhì)能源的重要原料,作為一種可再生資源,前預(yù)處理方法主要有生物法化學(xué)法物理法等。如果能夠?qū)⒔斩捴械睦w維素、半纖維素等多糖經(jīng)濟有效地質(zhì)素半纖維水解為單糖并進一步用于發(fā)酵生產(chǎn)沼氣、氫氣等能源物質(zhì),對于緩解能源緊張改善生態(tài)環(huán)境有重要意義。但是秸稈直接作為主要發(fā)酵原料卻存在著發(fā)酵啟動時間長、利用率低、產(chǎn)氣率低容易結(jié)殼和原料的進出難等問題。主要原因是秸稈中的纖維素被木質(zhì)素和半纖維素包裹使得纖維素酶與纖維素不能充分接觸,纖維素難以被降解。預(yù)處理的作用就是改變天然纖維素的結(jié)構(gòu)降低纖維素的結(jié)晶度脫除木質(zhì)素或半纖維素,增加纖維素與纖維素酶的可接觸面積從而提高纖維素酶的效率構(gòu)蛋白1秸稈中木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)圖1木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)示意圖{4纖維素是植物的結(jié)構(gòu)多糖是它們的細胞壁的主要成么1生物法生物預(yù)處理就是在人工控制下,利用一些分纖維素是線形葡聚糖殘基間通過阝(1-4)糖苷鍵連分解木質(zhì)素的細菌真菌等微生物除去木質(zhì)素以解除其對接的纖維二糖是它的二糖單位,半纖維素是堿溶性的植物纖維素的包裹作用,包括營養(yǎng)調(diào)節(jié)和混合菌處理等方法。細胞壁多糖大量存在于植物的木質(zhì)化部分,半纖維素和2.1.1營養(yǎng)調(diào)節(jié)營養(yǎng)調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在碳氮比上,常見木質(zhì)素通過共價鍵聯(lián)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)纖維素鑲嵌其中,其的做法有2種:一是與碳氮比低的發(fā)酵原料混和發(fā)酵例結(jié)構(gòu)如圖1如與H中國煤化工些化學(xué)元素,如加2秸稈的預(yù)處理尿素或CNMHG在10℃的溫度下由于木質(zhì)纖維素的特殊結(jié)構(gòu),要想直接利用秸稈作為處理江x們v叫飛率達到0.47L/g,與作者簡介:李浩(1988-),男江蘇徐州人,學(xué)生,研究方向:生物工程。收稿日期:2010-07-02安徽農(nóng)學(xué)通報, Anhui Agri Sci Bull.200,16(15)沒有處理的秸稈相比,產(chǎn)氣率提高了175%。(LHW),蒸汽爆破法是指在069-483MPa的壓力下,用2L.2混合菌處理對木質(zhì)素的降解最有效的微生物是蒸汽將物料加熱到200~240℃,維持30s~20min,使半纖白腐真菌,最常用的白腐真菌有 Pharerochacte Chrysospri維素水解同時木質(zhì)素軟化和部分降解。液態(tài)高溫水技術(shù)um, Coriolug versicolor等白腐菌,依靠這些菌產(chǎn)生的木質(zhì)是指將物料置于高壓狀態(tài)的熱水中,溫度為200~230℃素分解酶系對秸稈中的木質(zhì)素進行分解。但是秸稈的生處理物料2~15min,可除去4%-22%的纖維素,35%物降解是個復(fù)雜的過程,完成降解的生物并不只有一種而60%的木質(zhì)素以及所有的半纖維素。液態(tài)高溫水法與是一個菌群。因此,用混合菌處理能提高木質(zhì)素的分解蒸汽爆破法的水解產(chǎn)物的總量和濃度不同液態(tài)高溫水法率。席北斗等將康氏木毒、白腐菌變色栓菌與EM菌、的總量比較高但是其濃度卻較低。固氮菌、解磷菌、解鉀菌按一定配比擴大培養(yǎng)制成復(fù)合菌3結(jié)束語劑,經(jīng)堆漚處理,結(jié)果表明纖維素降解發(fā)酵周期為4簡易的物理法可以提高秸稈原料的利用率,其優(yōu)點在5d,酶活性顯著提高。于成本低廉使用方便但降解速度及發(fā)酵速率不高,而且2.2化學(xué)法化學(xué)法是使用酸堿、有機溶劑等作用于作能耗較大,成本較高?；瘜W(xué)法需要用大量的化學(xué)試劑,易物秸稈,破壞細胞壁中半纖維素與木質(zhì)素形成的共價鍵,造成化學(xué)污染,而且成本也偏高,處理后的基質(zhì)在后續(xù)的破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)打破木素與纖維素的連接達到菌種接種操作過程中還需要處理,例如對酸或堿的中和。提高秸稈消化率的目的。常見的方法包括酸處理、堿處用生物法預(yù)處理秸稈具有能耗低、所需環(huán)境條件溫和、無理氨處理和氧化還原試劑處理等。人們較常采用的稀酸污染等物理化學(xué)及其它方法不可替代的優(yōu)點應(yīng)用前景廣處理方法處理效率較高在溫度高時所需時間較短。稀闊將在秸稈生物氣化以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的酸預(yù)處理雖然可以有效提高纖維素的水解速率但其成本作用。偏高而且基質(zhì)在后續(xù)的操作過程中需要對酸進行中和參考文獻處理。[]張文斌張龍全,秸稈氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀與對策分析[J].中國表1幾種常用的化學(xué)法比較6農(nóng)機化,2009(06)化學(xué)試劑用量畫度(℃)壓力(dm)反應(yīng)時間m[2〕劉睿萬楚筠,秸稈預(yù)處理技術(shù)存在的問題與發(fā)展前景[J].環(huán)0.5%-3.0%硫酸130-2003-15境科學(xué)與技術(shù),2009(05)100%(1:1)無水氨70-9015-2010%-15%氨10-1709-1710-20[3]焦瑞身.微生物工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:246石灰法006-018(0H)670-1301-623物理法物理方法主要是通過改變原料的物理結(jié)構(gòu)[4】任普鮮,蔣劍春,本質(zhì)纖維素快速熱解產(chǎn)物生產(chǎn)燃料乙醇研究來增加纖維素與酶接觸的表面積,從而提高纖維素的利用進展[J.生物質(zhì)化學(xué)工程,20090(03)率,常用的有機械粉碎和加熱預(yù)處理等。[5]席北斗,劉鴻亮,孟偉等,垃圾堆肥高效復(fù)合微生物菌劑的制備[J].環(huán)境科學(xué)研究,2003,16(2):58-602.3.1機械粉碎用球磨、振動磨、輥筒等將纖維素原料[6] Charles E. Wyman, Bruce E進行粉碎處理致使木質(zhì)素和半纖維素與纖維素的結(jié)合層of leading biomass pretreatment technologies[ J]. Bioresource Tech-被破壞,半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的聚合度降低,纖維素nology:2005,%6(18),1959-1960的結(jié)晶構(gòu)造改變。粉碎處理可提高反應(yīng)性能和提高水解[]金慧,王黎春等。木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇預(yù)處理技術(shù)研的糖化率,有利于酶解過程中纖維素酶或木質(zhì)素酶發(fā)揮作究進展[.釀酒科技,200(07)用。但是這種方法對提高木質(zhì)纖維素原料的分解率有[8]寰麗婷,玉米秸稈預(yù)處理技術(shù)研究進展[冂].中國釀造,200限,而且對能源的消耗量較高增加了秸稈氣化的成本。(20)2.3.2加熱預(yù)處理當(dāng)把木質(zhì)纖維素原料加熱到150-[9AT. W. M. Hendriks,C.om, Pretreatments to enhance the180℃以上時,首先是半纖維素然后是木質(zhì)素就會開始水digestibility of lignocellulosic biomass[ J]. Bioresource Technology解形成酸這些酸可能會進一步促進半纖維素的水解。加2009,100(1),12-13熱預(yù)處理中常用的有蒸汽爆破法(SE)和液態(tài)高溫水法(貢編:陶學(xué)軍)GB/T7714-2005著錄用文字5.1句號、問號、嘆號、逗號、頓號、分號和冒號一般占一個字的中國煤化工52引號、括號、書名號的前一半不出現(xiàn)在一行之末,后一半eHCNMHG53破折號和省略號都占兩個字的位置中間不能斷開。連接號和間隔號般占一個字的位置。這四種符號上下居中。