秸秆生物气化预处理技术

安徽农学通报, Anhui Agi. Sei. Bull. 2010,16(15)57秸秆生物气化预处理技术李浩冷云伟任恒星赵兰(中国矿业大学化工学院,江苏徐州21008)摘要:秸秆作为一种可再生能源 ,其生物气化利用为解决能源问题提供了一个新的途径。预处理是秸秆生物气化中一个非常重要的环节,该文介绍了秸秆中木质纤维素的结构和目前秸秆生物气化预处理常用的几种方法。关键词:秸秆生物气化;预处理;生物法;化学法;物理法中图分类号S216.2 .文献标识码A文章编号1007-7731 (2010)15-57-02Research Progress in Pretreatment of Straw GasificationLIHao et al.(School of Chemical Engineering and Technology , China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, JiangsuProvince, China)Abstract :Straws are renewable sources, which proride a new solution to solve the problemn with energy. The pretreatment ofstraws is a enucial step in producing biogas. This paper introduced the present pretreatment technology and gave a prospectfor the promising pretreatment method.Key words:Pretreatment technology of straw ;Biologial pretreatment ;Chemical pretreatment; Physical pretreatment我国是一个农业大国.耕地面积约1.3 x 10'hm2 ,农作发酵原料,必须首先对其进行预处理，目的就是降低纤维物秸秆资源十分丰富。据统计,我国每年生产的各类农作素的聚合度、结晶度,破坏木质素、半纤维素的结合层,脱物秸秆达5.7 x 10*t,占世界秸秆总产量的20% ~ 30%。去木质素,增加有效比表面积,使纤维素被充分利用。目秸秆是生物质能源的重要原料" ,作为一种可再生资源，前,预处理方法主要有生物法、化学法.物理法等。如果能够将秸秆中的纤维索、半纤维素等多糖经济有效地木质素水解为单糖,并进-一步用于发酵生产招气、氢气等能源物质,对于缓解能源紧张,改善生态环境有重要意义。但是秸秆直接作为主要发酵原料却存在着发酵启动时间长、利用率低、产气率低.容易结壳和原料的进出难等问题!”。主要原因是秸秆中的纤维素被木质索和半纤维素包裹,使得纤维素酶与纤维素不能充分接触,纤维素难以被降解。预处理的作用就是改变天然纤维素的结构,降纤维素低纤维素的结晶度，脱除木质素或半纤维素，增加纤维素与纤维索酶的可接触面积,从而提高纤维素酶的效率”。结构蛋白1秸秆中木质纤维素 的结构圈1木质纤维素结构示意圈(4]纤维素是植物的结构多糖,是它们的细胞璧的主要成2.1生物法生物预处理就是在人工控制下,利用一些分,纤维索是线形葡聚糖.残基间通过β(1→4)糖苷键连分解木质素的细菌.真菌等微生物除去木质素以解除其对接的纤维二糖是它的二糖单位，半纤维索是贼溶性的植物纤维素的包裹作用,包括营养调节和混合菌处理等方法。细胞壁多糖,大量存在于植物的木质化部分,半纤维索和2.1.1营养调节营养调节 主要体现在碳氮比上,常见木质素通过共价键联结成网络结构,纤维索镶嵌其中,其的做法有2种:一是与碳氮比低的发酵原料混和发酵,例结构如图1。如与畜禽粪便混和等;另外就是添加一些化学元素.如加2秸秆的预处理尿素或碳酸氢馁。将2%的氨水和秸秆在1100的温度下由于木质纤维索的特殊结构,要想直接利用秸秆作为处理2 h,秸秆中挥发性有机质的产气率达到0.47L/g,与作者简介:李浩(1988 -),男,江苏徐州人,学生,研究方向:生物工程。收稿日期:2010-07 -0258安徽农学通报, Anbui Agri Sei Bull. 2010,16(15)没有处理的秸秆相比,产气率提高了17.5% 5)。(LHW),蒸汽爆破法是指在0.69 -4.83MPa的压力下,用21.2混合菌处理 对木质素 的降解最有效的微生物是蒸汽将物料加热到200 ~ 240 ,维持30s ~ 20min,使半纤白腐真菌,最常用的白腐真菌有Pharerochacte Chrysopri-维素水解,同时木质素软化和部分降解。液态高温水技术um ,Coriolus versicolor 等白腐菌,依靠这些菌产生的木质是指将物料置于高压状态的热水中,温度为200 ~ 230C，素分解酶系对秸秆中的木质素进行分解。但是秸秆的生处理物料2~ 15min,可除去4% ~ 22%的纤维素,35% ~物降解是个复杂的过程,完成降解的生物并不只有一种而60%的木质素以及所有的半纤维素”。液态高温水法与是一个菌群。因此,用混合菌处理能提高木质素的分解蒸汽爆破法的水解产物的总量和浓度不同,液态高温水法率。席北斗等'将康氏木毒、白腐菌、变色栓菌与EM菌、的总量比较高,但是其浓度却较低(°。固氮菌解磷菌解钾菌按- -定配比扩大培养制成复合菌3 结束语剂,经堆沤处理,结果表明，纤维素降解发酵周期为4~简易的物理法可以提高秸秆原料的利用率,其优点在5d,酶活性显著提高。于成本低廉.使用方便,但降解速度及发酵速率不高,而且2.2化学法化学法是使用酸 、碱、有机溶剂等作用于作能耗较大,成本较高。化学法需要用大量的化学试剂，易物秸秆,破坏细胞壁中半纤维素与木质素形成的共价键，造成化学污染,而且成本也偏高处理后的基质在后续的破坏纤维素的结晶结构,打破木素与纤维素的连接,达到菌种接种操作过程中还锘要处理，例如对酸或贼的中和。提高秸秆消化率的目的。常见的方法包括酸处理、碱处用生物法预处理秸秆具有能耗低、所需环境条件温和、无理、氨处理和氧化还原试剂处理等。人们较常采用的稀酸污染等物理化学及其它方法不可替代的优点,应用前景广处理方法,处理效率较高,在温度高时所需时间较短。稀阁,将在秸秆生物气化以及农业生产中发挥越来越重要的酸预处理虽然可以有效提高纤维素的水解速率,但其成本作用。偏高,而且基质在后续的操作过程中需要对酸进行中和参考文献处理”]。[1]张文斌,张龙全.秸秆气化技术研究现状与对策分析[J].中国表1几种常用的化学法比较[61农机化209 (06).预处即方法化学试制用温度(心) 压力()反应时间(mi)_ [2] 刘睿,万楚筠， 秸秆预处理技术存在的问题与发展前景[J]. 环羈硫酸水解0.5路-3.0%硫散 130-200 3-152-30境科学与技术209 (05).氨紆維燁破法10%(1;1)无水氮70-90 15-20氨同收过滤法10%-15%氨150-170 9-1710-20[3]焦瑞身。微生物工程[M].北京:化学工业出版社,2003 :246石灰法0.05-0. 5SC(0H)p/g 70-130 1-6.1-6- 247.2.3物理法物理方法主要 是通过改变原料的物理结构[4]任普鲜,蒋剑春.木质纤维案快速热解产物生产燃料乙醇研究来增加纤维素与酶接触的表面积，从而提高纤维素的利用进展[J]生物质化学工程209 (03).[5]席北斗.刘鸿亮,孟伟,等.垃圾堆肥高效复合微生物菌剂的制率,常用的有机械粉碎和加热预处理等。备[J].环境科学研究,2003 ,16(2):58 -60.23.1机械粉碎用球磨 、振动磨辊筒等将纤维索原料[6] Charles E Wymana, Bruce E Daleb, et al Coordinated development进行粉碎处理,致使木质索和半纤维素与纤维素的结合层of leading biomass pretrealment tchnologes[J]. Bioresoure Tecb-被破坏,半纤维素、纤维素和木质素的聚合度降低,纤维素nology :2005.96( 18) , 1959 - 1960.的结晶构造改变。粉碎处理可提高反应性能和提高水解[7] 金慧,王繁春.等.木质纤维素原料生产燃料乙醇预处理技术研的糖化率.有利于酶解过程中纤维素酶或木质素酶发挥作究进展[].酸酒科技,2009 (07).用”。但是这种方法对提高木质纤维紫原料的分解率有[8]袁丽婷。玉米秸秆预处理技术研究进展[J].中国酿造,2008限,而且对能源的消耗量较高,增加了秸秆气化的成本。(20).2.3.2加热预处理当把木质纤维素 原料加热到150~[9]AT w. M Hendris . C. Zeeman . Petrealments to enhance the180C以上时，首先是半纤维素然后是木质素就会开始水digetibility of lgnocellulosie bionmas[ J]. Bioresoure Technology,2009 , 100(1),12-13.解形成酸,这些酸可能会进-步促进半纤维素的水解。加(责编:陶学军)热预处理中常用的有蒸汽爆破法(SE)和液态高温水法GB/T 7714 -2005薯录用文字5.1 句号、问号、叹号逗号顿号、分号和冒号- -般占-个字的位置.居左偏下,不出现在- -行之首。”5.2 引号括号、书名号的前- -半不出现在- ~行之末，后-半不出现在-行之首。.5.3破折号和省略号都占两个字的位置,中间不能断开。连接号和间隔号-般占-个字的位置。这四种符号上下居中。