秸稈生物氣化預處理技術(shù)

徽農學(xué)通報, Anhui agri.Sci.Bull2010,16(15)秸稈生物氣化預處理技術(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(wèn)題提供了一個(gè)新的遼徑。預處理是秸稈生物氣化中一個(gè)非常重要的環(huán)節,該文介紹了秸稈中木質(zhì)纖維素的結構和目前秸稈生物氣化預處理常用的幾種方法。關(guān)鍵詞:秸稈生物氣化;預處理;生物法;化學(xué)法;物理法中圖分類(lèi)號S2162文獻標識碼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(gè)農業(yè)大國耕地面積約1.3×10hm2,農作發(fā)酵原料必須首先對其進(jìn)行預處理,目的就是降低纖維物秸稈資源十分豐富。據統計我國每年生產(chǎn)的各類(lèi)農作素的聚合度、結晶度破壞木質(zhì)素、半纖維素的結合層,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,前預處理方法主要有生物法化學(xué)法物理法等。如果能夠將秸稈中的纖維素、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(jìn)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(zhù)發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)、利用率低、產(chǎn)氣率低容易結殼和原料的進(jìn)出難等問(wèn)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。預處理的作用就是改變天然纖維素的結構降低纖維素的結晶度脫除木質(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蛋白1秸稈中木質(zhì)纖維素的結構圖1木質(zhì)纖維素結構示意圖{4纖維素是植物的結構多糖是它們的細胞壁的主要成么1生物法生物預處理就是在人工控制下,利用一些分纖維素是線(xiàn)形葡聚糖殘基間通過(guò)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(yíng)養調節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(yíng)養調節營(yíng)養調節主要體現在碳氮比上,常見(jiàn)木質(zhì)素通過(guò)共價(jià)鍵聯(lián)結成網(wǎng)絡(luò )結構纖維素鑲嵌其中,其的做法有2種:一是與碳氮比低的發(fā)酵原料混和發(fā)酵例結構如圖1如與H中國煤化工些化學(xué)元素,如加2秸稈的預處理尿素或CNMHG在10℃的溫度下由于木質(zhì)纖維素的特殊結構,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(jiǎn)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安徽農學(xué)通報, Anhui Agri Sci Bull.200,16(15)沒(méi)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(shí)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(jìn)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(gè)復雜的過(guò)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(gè)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制成復合菌3結束語(yǔ)劑,經(jīng)堆漚處理,結果表明纖維素降解發(fā)酵周期為4簡(jiǎn)易的物理法可以提高秸稈原料的利用率,其優(yōu)點(diǎn)在5d,酶活性顯著(zhù)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(jià)鍵,造成化學(xué)污染,而且成本也偏高,處理后的基質(zhì)在后續的破壞纖維素的結晶結構打破木素與纖維素的連接達到菌種接種操作過(guò)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(jiàn)的方法包括酸處理、堿處用生物法預處理秸稈具有能耗低、所需環(huán)境條件溫和、無(wú)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(diǎn)應用前景廣處理方法處理效率較高在溫度高時(shí)所需時(shí)間較短。稀闊將在秸稈生物氣化以及農業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的酸預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)在后續的操作過(guò)程中需要對酸進(jìn)行中和參考文獻處理。[]張文斌張龍全,秸稈氣化技術(shù)研究現狀與對策分析[J].中國表1幾種常用的化學(xué)法比較6農機化,2009(06)化學(xué)試劑用量畫(huà)度(℃)壓力(dm)反應時(shí)間m[2〕劉睿萬(wàn)楚筠,秸稈預處理技術(shù)存在的問(wèn)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(wú)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(guò)改變原料的物理結構[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(lái)增加纖維素與酶接觸的表面積,從而提高纖維素的利用進(jìn)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處理等。[5]席北斗,劉鴻亮,孟偉等,垃圾堆肥高效復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(dòng)磨、輥筒等將纖維素原料[6] Charles E. Wyman, Bruce E進(jìn)行粉碎處理致使木質(zhì)素和半纖維素與纖維素的結合層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的結晶構造改變。粉碎處理可提高反應性能和提高水解[]金慧,王黎春等。木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇預處理技術(shù)研的糖化率,有利于酶解過(guò)程中纖維素酶或木質(zhì)素酶發(fā)揮作究進(jìn)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,玉米秸稈預處理技術(shù)研究進(jìn)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加熱預處理當把木質(zhì)纖維素原料加熱到150-[9AT. W. M. Hendriks,C.om, Pretreatments to enhance the180℃以上時(shí),首先是半纖維素然后是木質(zhì)素就會(huì )開(kāi)始水digestibility of lignocellulosic biomass[ J]. Bioresource Technology解形成酸這些酸可能會(huì )進(jìn)一步促進(jìn)半纖維素的水解。加2009,100(1),12-13熱預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(zhù)錄用文字5.1句號、問(wèn)號、嘆號、逗號、頓號、分號和冒號一般占一個(gè)字的中國煤化工52引號、括號、書(shū)名號的前一半不出現在一行之末,后一半eHCNMHG53破折號和省略號都占兩個(gè)字的位置中間不能斷開(kāi)。連接號和間隔號般占一個(gè)字的位置。這四種符號上下居中。