生物質(zhì)能利用技術(shù)

生物質(zhì)能利用新技術(shù)-秸稈回收2023年10月23日

秸稈的簡介秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉〔穗〕局部的總稱。通常指小麥、水稻、玉米、薯類、油菜、棉花、甘蔗和其它農(nóng)作物〔通常為粗糧〕在收獲籽實(shí)秸稈后的剩余局部。農(nóng)作物光合作用的產(chǎn)物有一半以上存在于秸稈中，秸稈富含氮、磷、鉀、鈣、鎂和有機(jī)質(zhì)等，是一種具有多用途的可再生的生物資源秸稈的主要成分是纖維，主要集中于細(xì)胞壁，細(xì)胞壁含量占70%以上，由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成；酸性洗滌纖維由纖維素和木質(zhì)素組成。秸稈資源的分布50%以上的秸稈資源集中在四川、河南、山東、河北、江蘇、湖南、湖北、浙江等9省，西北地區(qū)和其它省份秸稈資源分布量較少。稻草主要在長江以南的諸多省份，而小麥和玉米秸稈分布在黃河與長江流域之間，以及黑龍江和吉林等省份。秸稈的利用技術(shù)制取可燃液化物制取可燃?xì)饣锛庸こ深w粒燃料加工粗飼料直接作為燃料就地燃燒〔最常見卻最不可取的〕秸稈燃燒及危害我國秸稈資源大局部被作為農(nóng)戶生活燃料甚至在田間直接燃燒，造成嚴(yán)重的大氣污染，危害人體健康。破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成農(nóng)田質(zhì)量下降。秸稈制取可燃液化物-酒精農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為酒精的原理是將作為糖源的碳水化合物的聚合體纖維素、半纖維素與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的木質(zhì)素別離，然后將其分解成可發(fā)酵性糖，再將混合的戊糖和己糖轉(zhuǎn)化為乙醇。具體的工藝流程如下：秸稈預(yù)處理纖維素半纖維素酸或酶水解單糖〔五碳糖、六碳糖〕發(fā)酵酒精蒸餾由于木質(zhì)纖維素組成成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生物降解時(shí)難以迅速進(jìn)行；另外，木質(zhì)素雖然對(duì)纖維素分解物質(zhì)〔如酶等〕反響沒有阻礙作用，但它能阻止纖維素分解物對(duì)纖維素的作用，因此，為去除阻礙糖化和發(fā)酵的物質(zhì)，使纖維素更容易被降解和發(fā)酵，必須對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的主要目的是為了溶解和別離秸稈中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和其它可溶性物質(zhì)，使纖維素內(nèi)部氫鍵翻開，以及進(jìn)一步打斷β-1，4-糖苷鍵，降低聚合度，使剩余的固體物質(zhì)更易被化學(xué)或生物方法水解。目前，效果比較好的秸稈預(yù)處理方法有蒸汽爆破法、酸預(yù)處理法、堿預(yù)處理法、濕氧化預(yù)處理法等。預(yù)處理工藝水解農(nóng)作物秸稈預(yù)處理后需進(jìn)行水解，其目的是破壞秸稈中纖維素和半纖維素中的氫鍵，將其降解成可發(fā)酵性糖：戊糖和己糖。一般常采用酸水解，但是酸水解需要大量的酸，對(duì)設(shè)備的腐蝕也很大，而且需要高溫高壓，且產(chǎn)物復(fù)雜，難于凈化別離。因此，現(xiàn)在采用溫和的酶水解已取代酸水解，即將經(jīng)過預(yù)處理秸稈中的纖維素用微生物產(chǎn)生的纖維素酶水解成葡萄糖。下面介紹幾種先進(jìn)的酶水解技術(shù):

在適宜條件下，白腐菌的菌絲利用其分泌的超纖維素酶溶解秸稈外表的蠟質(zhì)，然后菌絲進(jìn)入秸稈內(nèi)部，并產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素、內(nèi)切聚糖物、外切聚糖物，降解秸稈中的木質(zhì)素和纖維素，使其成為含有酶的糖類。白腐菌降解農(nóng)作物秸稈里氏木霉Rut-C30菌種降解纖維素里氏木霉Rut-C30菌種是國際上公認(rèn)的產(chǎn)酶酶活高的菌種，經(jīng)嚴(yán)格的工藝，產(chǎn)生纖維素酶，經(jīng)汽爆的纖維在24h之間水解成葡萄糖，可以縮短生產(chǎn)時(shí)間。直接參加酶水解酶表現(xiàn)其催化活性不一定在生物體內(nèi)，只要外界有適宜的溫度和PH值，酶的活性就會(huì)發(fā)揮，所以可以采用直接參加纖維素酶將秸稈中纖維素水解為單糖。酶水解是生化反響，與酸水解相比，可以在常壓下進(jìn)行，這樣可減少能量的消耗、設(shè)備簡單、污染小、并且由于酶具有較高的反響選擇性，可形成單一產(chǎn)物，產(chǎn)率較高。

發(fā)酵農(nóng)作物秸稈中的纖維素、半纖維素被分解成木糖、阿拉伯糖、葡萄糖等五、六碳糖之后，即可進(jìn)行發(fā)酵工藝。傳統(tǒng)的木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精的方法有同時(shí)糖化發(fā)酵法，一般用釀酒酵母來進(jìn)行發(fā)酵，但釀酒酵母不能將預(yù)處理產(chǎn)生的木糖等戊糖轉(zhuǎn)化為乙醇，造成了木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化率較低的情況。接下來為大家介紹幾種比較新的預(yù)處理農(nóng)作物秸稈發(fā)酵制取酒精的方法：

固定化細(xì)胞發(fā)酵固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵罐內(nèi)細(xì)胞濃度提高，細(xì)胞可連續(xù)使用，最終使發(fā)酵液乙醇濃度提高的效果，常用的載體有卡拉膠、海藻酸鈉、多孔玻璃等。目前，固定化細(xì)胞開展的新動(dòng)向是混合細(xì)胞固定發(fā)酵，如酵母與纖維二糖酶一起固定化，將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇[10]。利用重組的大腸桿菌發(fā)酵大腸桿菌能有效利用木制纖維材料的所有糖組分，對(duì)乙醇也有一定的耐性〔高于50g/L〕。但通常乙醇通常只是大腸桿菌產(chǎn)生的眾多產(chǎn)物之一。乙醇高產(chǎn)的關(guān)鍵在于丙酮酸脫羧酶〔PDC〕、醇脫氫酶系統(tǒng)(ADH)。將運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌編碼PDC和ADH的基因構(gòu)建成為PET的人造操縱子，用質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌，并實(shí)現(xiàn)高表達(dá)，從而將丙酮酸代謝導(dǎo)向乙醇。美國佛羅里達(dá)大學(xué)的朗尼、英格拉姆創(chuàng)造了用重組的大腸桿菌作為發(fā)酵劑，把農(nóng)作物秸稈中的五碳糖直接制成酒精，否那么秸稈中五碳糖不能轉(zhuǎn)化為酒精是非?？上У?，而且會(huì)造成環(huán)境污染。采用畢赤酵母發(fā)酵山東輕工業(yè)學(xué)院食品工程系的張繼泉等人經(jīng)研究初步確定了用畢赤酵母發(fā)酵玉米秸稈水解液的條件,即在36℃條件下，發(fā)酵60h，通風(fēng)量為0.08g/L,初始復(fù)原糖濃度為74.0g/L,酒精產(chǎn)率到達(dá)0.327g/g。用產(chǎn)朊假絲酵母發(fā)酵產(chǎn)朊假絲酵母可以用來發(fā)酵五碳糖產(chǎn)生酒精，為了提高發(fā)酵效率，可采用同步水解發(fā)酵法，即將稀酸處理后的秸稈，同時(shí)參加產(chǎn)朊假絲酵母、纖維素酶和酒精酵母，在同一發(fā)酵容器中，使水解和發(fā)酵同步進(jìn)行，不僅可直接產(chǎn)生酒精，還可降低葡萄糖對(duì)纖維素水解的抑制作用。其化學(xué)反響方程式為：2C5H10O5—3C2H5OH+4CO2C6H12O6—2C2H5OH+2CO2固態(tài)發(fā)酵固態(tài)發(fā)酵〔SSF〕是指在沒有或幾乎沒有自由水存在下，在有一定濕度的水不溶性基質(zhì)中，用一種或多種微生物發(fā)酵的一個(gè)生物反響過程。SSF與液態(tài)發(fā)酵相比，其優(yōu)點(diǎn)有發(fā)酵容器體積減小、滅菌的耗能本錢降低、固體基質(zhì)更易通風(fēng)、產(chǎn)品別離本錢低、廢液少，對(duì)細(xì)菌而言，SSF不利于他的生長，降低了細(xì)菌污染的危險(xiǎn)。固態(tài)酒精發(fā)酵是在失去游離水的狀態(tài)下進(jìn)行的厭氧發(fā)酵，它是高濃度酒精發(fā)酵得極端形式，發(fā)酵產(chǎn)物酒精及時(shí)從系統(tǒng)中別離出來，減少對(duì)酵母發(fā)酵得抑制，并提高原料的轉(zhuǎn)化率。管囊酵母發(fā)酵該種方法主要是針對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過稀硫酸預(yù)處理，得到的秸稈水解液中的復(fù)原糖主要為木糖時(shí)的發(fā)酵，即在發(fā)酵罐中參加已活化的管囊酵母SQY-1，在80r/min的攪拌速度條件下，發(fā)酵48h，發(fā)酵完畢后，經(jīng)蒸餾可得到50%〔v/v〕左右的酒精。管囊酵母是一種“限氧〞發(fā)酵酵母，一定的供養(yǎng)可以保證發(fā)酵過程的順利進(jìn)行，較低的攪拌速度既實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程氧的供給，又防止了由溶氧過多而導(dǎo)致乙醇被氧化為乙酸。蒸餾與精餾發(fā)酵完畢，發(fā)酵醪液即可進(jìn)行蒸餾，將蒸餾出的酒精再進(jìn)行精餾，即可得到95%〔V/V〕的酒精，由于該酒精的生產(chǎn)原料為纖維素，不符合國標(biāo)的有關(guān)食用酒精標(biāo)準(zhǔn)，所以生產(chǎn)出來的酒精一般就直接可以用作燃料、或添加到汽油中制成“乙醇汽油〞，解決目前的能源危機(jī)問題。開展前景用無水酒精作為石油的代用能源，其關(guān)鍵就是降低酒精的生產(chǎn)本錢，隨著國際市場石油價(jià)格的不斷攀升，利用本錢更低的農(nóng)作物秸稈作為生產(chǎn)燃料酒精的原料以及生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)已成為重要的研究方向。近年來，我國各級(jí)政府非常重視可再生的生物物質(zhì)資源的開發(fā)利用和研究工作，隨著液體燃料乙醇的廣泛應(yīng)用，利用農(nóng)作物秸稈秸稈發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精不但可以生產(chǎn)出比汽油辛烷值高，對(duì)大氣無污染的液體燃料乙醇，而且還可以增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，