秸秆生物气化预处理技术

徽农学通报, Anhui agri.Sci.Bull2010,16(15)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221008)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遼径。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S2162文献标识码A文章编号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我国是一个农业大国耕地面积约1.3×10hm2,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57×10°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素、半纤维素等多糖经济有效地质素半纤维水解为单糖并进一步用于发酵生产沼气、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素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,增加纤维素与纤维素酶的可接触面积从而提高纤维素酶的效率构蛋白1秸秆中木质纤维素的结构图1木质纤维素结构示意图{4纤维素是植物的结构多糖是它们的细胞壁的主要成么1生物法生物预处理就是在人工控制下,利用一些分纤维素是线形葡聚糖残基间通过阝(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,半纤维素是碱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,半纤维素和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素镶嵌其中,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H中国煤化工些化学元素,如加2秸秆的预处理尿素或CNMHG在10℃的温度下由于木质纤维素的特殊结构,要想直接利用秸秆作为处理江x們v叫飞率达到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:2010-07-02安徽农学通报, Anhui Agri Sci Bull.200,16(15)没有处理的秸秆相比,产气率提高了175%。(LHW),蒸汽爆破法是指在069-483MPa的压力下,用2L.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 Chrysospri维素水解同时木质素软化和部分降解。液态高温水技术um, Coriolug 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200~230℃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、解钾菌按一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需要处理,例如对酸或碱的中和。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。稀阔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參考文献处理。[]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6农机化,2009(06)化学试剂用量画度(℃)压力(dm)反应时间m[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0.5%-3.0%硫酸130-2003-15境科学与技术,2009(05)100%(1:1)无水氨70-9015-2010%-15%氨10-1709-1710-20[3]焦瑞身.微生物工程[M].北京:化学工业出版社,2003:246石灰法006-018(0H)670-1301-623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,本质纤维素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,20090(03)率,常用的有机械粉碎和加热预处理等。[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备[J].环境科学研究,2003,16(2):58-602.3.1机械粉碎用球磨、振动磨、辊筒等将纤维素原料[6] Charles E. Wyman, Bruce E进行粉碎处理致使木质素和半纤维素与纤维素的结合层of leading biomass pretreatment technologies[ J]. Bioresource Tech-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,%6(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[]金慧,王黎春等。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[.酿酒科技,200(07)用。但是这种方法对提高木质纤维素原料的分解率有[8]寰丽婷,玉米秸秆预处理技术研究进展[冂].中国酿造,200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-[9AT. W. M. Hendriks,C.om, Pretreatments to enhance the180℃以上时,首先是半纤维素然后是木质素就会开始水digestibility of lignocellulosic biomass[ J]. Bioresource Technology解形成酸这些酸可能会进一步促进半纤维素的水解。加2009,100(1),12-13热预处理中常用的有蒸汽爆破法(SE)和液态高温水法(贡编:陶学军)GB/T7714-2005著录用文字5.1句号、问号、叹号、逗号、顿号、分号和冒号一般占一个字的中国煤化工52引号、括号、书名号的前一半不出现在一行之末,后一半eHCNMHG53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一个字的位置。这四种符号上下居中。