高压均质林业废弃物提高酶解产糖及产沼气的研究
2018-04-20 14:57:20
林业废弃物由于产量巨大，作为生物质能源转化的原料具有极大的潜力。根据我国《全国林业生物质能源发展规划》，到2020年，油料能源林基地建设422万公顷，其中新造林397万公顷，现有林改培25万公顷。林业生物质利用量要过每年2000万ｔ标准煤，液体燃料利用率要达到30％。林业生物质原料生物质能源转化分为液化和气化两种。液化技术将生物质通过热化学或生物化学方法转化为生物柴油、生物石醇、生物甲醇、液化油等。气化技术是将生物质在高温缺氧状态或生物合成技术，分解为一氧化碳、氢气、低分子烃类、甲烷等气体。目前，国内外将生物质乙醇和甲烷作为生物质能源转化的主要方向。
生物质原料在生物乙醇和甲烷的转化过程中，由于其本身坚固致密的结构特征，并不利于生物质能源的转化，出现转化效率低下，转化成本高等问题。所以利用预处理技术对生物质原料进行加工，通过降低生物质原料中木质素含量，破坏纤维素结晶状态，提高原料与酶的接触面积等几个方面提高酶解效率，产生比未处理原料更多的可发酵糖，达到提高生物乙醇和甲烷的目的。理想的预处理方法应满足以下几点要求：（１）尽量减少可发酵糖的损失；（２）避免影响后续产能过程的有毒物质的产生；（３）促进后期产能对纤维素的完全利用；（４）大至程度的对原料进行利用，减少固体废物的产生；（５）处理过程中减少有害物质的使用，减少对环境的破坏；（６）要有较高的经济可行性，减少资金投入。
本文选择高压均质预处理对草坪草或揪木木屑进行预处理。了解预处理对原料厌氧消化产沼气产量的影响，并对预处理后的甲烷含量和厌氧消化系统的pＨ值进行测定。
仪器和原料
电子天平Ｍ214Ａ（意大利BEL Engineering公司）；恒温水浴振荡器SHA-B（常州国华电气有限公司）；恒温气浴振荡器ZD-85Ｂ（常州国华电气有限公司）；高压均质机NanoDeBEE30-4(苏州微流纳米生物技术有限公司)；自动程控恒温干燥箱101（北京市永光明医疗仪器厂）；冷冻干燥机LGJ-10（北京松源华兴生物技术有限公司）；电子万用炉DL-1（北京市永光明医疗仪器厂）；扫描电子显微镜巧SEM Ｓ-3400Ｎ（日本Hitachi公司）；粒度测定仪Mastersizer2000（英国Malvern公司）；分光光度计 722S（上海精密科学仪器有限公司）；智能高速冷冻离心机3H16RI（湖南赫西仪器装备有限公司）；循环水式真空聚 SHZ-D（巩义市予华仪器有限责任公司）。
纤维素酶（＞维素酶e2-1chem）（西格玛奥德里奇公司）；3，5－二硝基水杨酸（国药集团化学试剂有限公司）；苯酚、酒石酸甲钠、无水亚硫酸钠、柠檬酸、柠檬酸三钠、葡萄糖、氢氧化钙、浓硫酸、盐酸（北京化工厂）；氢氧化钠（西陇化工股份有限公司）；溴化钾（上海麦恪林生化科技有限公司）。
试验方法和结果
草坪草、玉米枯杆、揪木木屑和落叶松木屑于50℃烘箱中干燥12H。取10.0ｇ烘干的样品浸入2000ml的蒸溜水中混合成化5％的悬浮液用于预处理。高压均质机开机预热10min后将压力调至150ＭＰａ，将待处理悬浮液从进料口加入机器，并进一步调整均质压力，待压力稳定后从出料口收集预处理样品。预处理样品使用真空抽滤机收集固体样品并经蒸馏水冲洗三次，置于冷冻干燥机干燥24h后常温保存待用。
称取0.5ｇ样品置于150ml锥形瓶中，并加入纤维素酶活为30FPU/g的柠檬酸－柠檬酸三钠缓冲液20ml。将锥形瓶置于50℃密闭恒温气浴摇床，转速180r/min，反应时间48h。定时对水解液取样，并对还原糖含量进行测定。
3.0ｇ未处理和己处理的样品与150ml接种污泥在500ml锥形瓶內反应，反应前使用NaHCO3将反应体系的pＨ值调整至7.5。之后将锥形瓶固定在转速为150r/min，温度为35℃的恒温水浴振荡器中。反应初期使用氮气将锥形瓶中空气排出。整个厌氧消化周期为21ｄ。每日沼气产量使用排水（pＨ为3.0的HCl溶液）法计得，实验结果是3次平巧实验的平均数。
高压均质预处理可以较为强烈的破坏生物质原料的结构，改变原料的成分。半纤维素含量的降低、粒径的减小、结晶度的变化、可接触面积的提高均可以促进酶解效率的提商。以上测定到的变化会如何影响木质纤维素原料的酶解效，草坪草和玉米秸秆为草本生物质。经48h酶解后草坪预处理前后的还原糖产量分别为229.42mg/g和161.62mg/g，增长率为41.95％。玉米秸秆预处理前后的产糖量均低于草坪草，但玉米程杆产糖量的增长率更高，为68.37％。揪木木屑为阔叶木生物质，松木木屑为针叶木生物质。揪木和松木木屑预处理前后的还原糖产量远低于草坪草和玉米程杆。松木和揪木木屑产糖量分别从34.33mg/g和24.66mg/g升到44.59mg/g和39.76mg/g。揪木的提高率为61.23％，高于草坪草。通过对四种材料还原糖产量的对比可以发现，低木质含量的草坪草和玉米秸秆的产糖能力在预处理前后均高于高木质素含量的揪木木屑和松木木屑，说明木质素含量在一定程度上决定着生物质原料的酶解产糖效率。
 |
林业废弃物预处理提高酶解产糖及产沼气的研究_金曙光_.pdf |
