秸秆类生物质预处理技术研究进展.doc
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1、秸秆类生物质预处理技术研究进展摘要:秸秆类等生物质是重要的可再生资源,将其制取成燃料乙醇可有效解决当前日益严重的生态和能源问题,而预处理技术是其中制取成功的关键技术。这项技术的不断完善可以不断提高秸秆类中木质纤维素的水解率,从而高效地制取出燃料乙醇,大大降低其生产成本。笔者从预处理关键技术的出发,通过对国内外最新研究进展的分析,对物理法、物理-化学法、化学法和生物法这四种技术的处理效果进行了综述,并对秸秆类生物质预处理技术的发展提出了展望与建议。随着社会的发展,能源问题日益严重,使得人们开始寻求新型清洁的可再生资源来代替传统的化石能源,生物质资源便成为其中热门一项。而农作物秸秆作为世界上最简单
2、易得、产量最大的生物质资源,吸引了无数研究者的目光。我国秸秆资源虽然十分丰富,但利用率却很低,大量秸秆无法被有效回收,只能就地焚烧,造成了环境污染和资源浪费。通过将秸秆制成燃料乙醇可以有效缓解这些问题。秸秆预处理技术通过对秸秆中木质纤维素进行水解来制备燃料乙醇。如今,预处理技术的不断完善,已经从单一的方法,变为复合法,大大提高了木质纤维素的水解率与燃料乙醇的生产效率。目前世界上主要有四种预处理方法:物理法、生物法、化学法、物理-化学法。1物理法现在,对玉米秸秆类型的生物质物理处理主要手段有:机械粉碎(精磨)、微波处理、高能辐射等。这些方法都是为了增大木质纤维素的比表面积,减小颗粒尺寸,降低聚合
3、度,以提高其与生物酶的反应活性。1.1机械粉碎机械粉碎是通过机械作用力将木质纤维素变成0.22mm的颗粒,机械粉碎的设备和方式有很多,如刀式粉碎、盘式粉碎、蒸汽粉碎以及球磨粉碎等。Hideno等1的研究结果表明利用湿法粉碎和球磨粉碎的方法能够使水稻秸秆的酶解葡萄糖产率提升到78.5%和89.4%。Zheng等2改进螺杆挤压法,在螺杆挤压碱处理过后的玉米秸秆时,将挤压机内的螺杆元件替换成反向元件,可以有效地去除木质素,他们通过调整机械元件的位置,达到一种组合,去除木质素的效率高于现在使用的大多数化学方法。机械粉碎的优点是操作简单有效,但时能耗大,成本高。1.2微波处理微波利用介电加热,使物料内有
4、极分子在微波高频电场的作用下反复快速改变其取向,相互碰撞而摩擦产生热量,将物料能水分子等低沸点化合物去除。此外,微波辐射还可以破坏纤维素分子间的氢键,使其失去胀润性,提高其的反应活性和可及性。已有许多研究是利用微波来预处理纤维素,例如Azuma等3利用微波在170230部分降解木质素和半纤维素,增加其可及度,提高植物纤维素的酶水解率。其方法的快速便捷,但是缺点是成本高,难以大规模运用于生产。1.3高能辐射高能辐射是利用射线、电子束等进行一定时间和剂量的辐射来提高纤维素酶解效率。利用射线是通过60Co产生的射线来处理秸秆等纤维素材料,破坏物料结构,降低纤维素结晶度,从而提高酶解效率的方法。唐洪涛
5、等4发现较高剂量辐照对提高玉米秸秆还原糖含量有着显著作用,辐照500kGy的玉米秸放置20d后时酶解还原糖得率比初始提高了13.68%,达到最大。在较高剂量下,辐照联合酶解效果优于单一处理。2生物法生物预处理技术利用微生物分解木质素,解除其对纤维素的包裹作用。常用的微生物有白腐菌、褐腐菌和软腐菌等。在培养过程中,产生分解木质素的专一性酶类,降低了副产物的生成。其中最有效的是白腐菌,能够分泌出有效的木质素降解酶,如过氧化物酶和漆酶。用白腐菌降解杨木,6周后木质素脱除率为19.3%;以棉秆为底物,它可在3周时间内将原料中的木质素降解65%。如今,利用白腐菌对纤维原料预处理得到了广泛的研究。虽然以白
6、腐菌为主的生物预处理技术可以降解和破坏生物质原料的保护性屏障,提高转化效率,但同时效率相对较低,仍有待提高5。因此如何促进酶解增效的作用机制已成为生物预处理研究的关键。据研究,较里氏木霉纤维素酶体系单独水解,将-葡聚糖酶添加到里氏木霉纤维素酶体系中共同水解植物纤维原料可以达到更好的糖化效果,这是因为-葡聚糖酶可以水解能抑制纤维素酶活性的纤维二糖6。而将半纤维素酶或者果胶酶与纤维素酶共同作用于植物纤维原料可以进一步提高纤维素的转化7。学者们已对木质纤维素生物质的生物降解进行了大量的研究,基因工程正在被用来改良驯化真菌,随着这项技术发展,许多改进的基因工程菌将在木质纤维素预处理中发挥重要的作用。生
7、物技术虽然被认为是一种从原料中释放出糖的有效方法,且具有能耗低、专一性强,环保等优点。但是由于酶活性低,反应时间长很难应用于工业生产,因此,在生物预处理上我们还有很长的路要走。3化学法化学预处理主要就是用各种化学试剂作用于木质素,或者通过处理纤维素中的酶来提高纤维素酶的效率。3.1酸处理一般在100240时,用浓度低于5%的酸,将纤维素溶解为单糖。相比用浓度高于10%的浓酸处理,此方法虽然消耗的酸量较少且不易腐蚀仪器,但该反应所需的压力和温度要求更高,条件苛刻。近年来,人们还研究了各种助催化剂对反应的影响,如加入一些无机盐等。存在用浓度低于0.1%的酸进行处理的ULA预处理技术,通过将硫酸和高
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- 秸秆 生物 预处理 技术研究 进展
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