玉米秸秆的利用现状与前景.doc

玉米秸秆的利用现状与前景张磊，侯哲生（机电工程学院，机械设计制造及其自动化专业0905班）摘 要：我国农村每年都有大量的玉米秸秆产生，除少数被利用外绝大多数被废弃或者焚烧，不但造成了环境的污染而且造成了资源的浪费。本文介绍了玉米秸秆的利用现状，玉米秸秆的物理利用、化学利用和生物利用，主要介绍了生物技术在玉米秸秆制浆中的应用以及玉米秸秆在制浆造纸中的发展前景。关键词：玉米秸秆；物理加工；生物制浆；生物漂白1 玉米秸秆简介玉米在我国的东北、华北以及华中地区大量种植，每年都有大量的玉米秸秆产生。我们在夏秋季节随处可以看到大量被废弃和者焚烧的玉米秸秆，随着能源的短缺和科学技术的日新月异，我们对废弃的玉米秸秆进行加工探索出了一条新道路，有利于增加农民收入减少环境的污染，促进农业尽快实现集约化、产业化、工业化。通过使用生物新技术以最少的投入获得最大的产出，实现玉米秸秆资源效益的最大化4。玉米秸秆主要是由碳、氢、氧等元素组成的一系列有机物质，如纤维素、半纤维素、木质素等3种高分子聚合物，而且含量高1。另外，玉米秸秆还含有一些少量的营养物质，如单宁、果胶质、树脂、蜡、多糖物以及不可皂化物等。纤维素是结构碳水化合物中含量最高的一种。禾本科秸秆中纤维素含量一般为3145。半纤维素和其他多糖含量为2530，木质素含量为1525。由于玉米品种、生长环境、收获期的不同，玉米秸秆的营养价值可能不同，但是其具有共同营养的特点，即蛋白质、可溶性碳水化合物、矿物质和胡萝卜素含量低，而粗纤维含量高。2 玉米秸秆的物理加工特性2.1玉米秸秆简单加工新技术玉米秸秆简单加工新技术有两种：一是牛羊等饲草禽畜饲喂玉米秸秆揉丝加工新技术，二是温室育苗无土栽培玉米秸秆基质加工新技术。这两项技术的特点是：操作简单、制作容易、实用效果好、经济效益显著非常受农民欢迎。2.1.1牛羊等食草禽畜饲喂玉米秸秆揉丝加工新技术目前在我国广大的农区尤其是玉米产区，使用机器对玉米秸秆进行揉搓处理饲喂食草型畜禽。这种简便的揉搓加工技术是最近几年出现又迅速普及的新方法，这种方法具有十分明显的优点及非常适宜的实用性。它不仅可以将不同含水率的秸秆加工后直接饲喂，而且经揉搓后的秸秆为柔软蓬松的丝状物，可以改变适口性，有益牲畜消化，另外还有利于进行其他*指导教师： 侯哲生（1973），男，吉林省吉林市人，吉林化工学院机电工程学院副教授，主要从事单片机、PLC、农业机械化、生物技术和仿生领域等方面的研究.联系方式生产加工。根据用户生产的实际需要，生产厂家研制出了一大批各式各样的揉搓加工设备。尤其是其中有一种小型的揉搓、粉碎、铡切三用机最具代表性。这种小型机以单项照明电为动力电，是集揉搓、粉碎、铡草为一身的多功能设备，使用起来非常方便。因其造价低、功能多、适用性好、实用性强倍受农区饲养户的欢迎，也成了他们离不开的好帮手。2.1.2 温室育苗无土栽培玉米秸秆基质加工新技术过去进行温室育苗无土栽培的机质，主料需要外购，是一项即花钱又费事的工作。在农业工程技术人员的努力下，采用玉米秸秆加工温室育苗无土栽培基质获得成功。这项加工新技术，主料是玉米秸秆取自身边不用花钱。它的加工工艺是用三用机将玉米秸秆铡搓成小碎块，然后进行常规的消毒灭菌处理，再根据玉米秸秆的特点和实际生产需要，添加定量的料剂进行充分的搅伴后，按发酵要求进行发酵处理，品质得到明显改善，取得了良好的经济效益和社会效益。2.2 玉米秸秆栽培食用菌技术玉米秸秆富含纤维素和木质素等有机物，是栽培食用菌的好材料。采用玉米秸秆作为基料可以降低生产成本，且生产鲜菇后的底料还可以作为有机肥直接还田。目前，利用玉米秸秆栽培的食用菌品种有平菇、双抱菇、鸡腿菇、秀珍菇等。该项技术的应用推广可使玉米秸秆资源多级增值，使大量的秸秆得到充分利用，减少环境污染，增加农民收益。2.3 用于生产沼气沼气是优质的可再生能源，是改变农村传统获取燃料的方式、开发清洁能源、保护环境的理想措施3。利用秸秆厌氧发酵生产沼气，可以在较小规模和较少资本投入的条件下实现秸秆等生物质资源的高效利用，较适于发展中国家及地区的农村和城乡企业。目前国内已经建成沼气池近万口，真正实现了变废为宝。3 玉米秸秆在工业中的应用3.1 造纸目前，我国造纸制浆仍以芦苇、竹子、稻麦秸秆等草类原料为主，属于“草浆工业”。 玉米秸秆穰中淀粉和蛋白质含量较高，致使制浆工艺性差，但经皮穰分离后， 玉米秸秆皮的纤维素含量大约是44.6%，高于稻草和麦秸 ，这可以很大程度提高纸的强度3。随着玉米秸秆造纸技术的不断成熟完善和大面积推广应用，木材消耗量将减少，传统的以木浆、稻草等为原料的造纸业生产方式将发生改变。3.2 玉米秸秆制燃料酒精利用丰富、价廉的玉米秸秆为原料生产酒精已成为必然趋势。研究表明，玉米秸秆先采用蒸汽爆破法或温氧法预处理，使木质素和纤维素分离，然后进行水解，可使纤维素转化率达85%，再利用酵母发酵制酒精。3.3 制造人造板材采用玉米秸秆为原料可生产出高强度环保板。产品色泽自然亮丽、密度均匀，可与木质人造板相媲美高强度环保玉米秸秆板的制作，采用胶粘剂，不含甲醛，防水性能好，吸水膨胀率很低，符合绿色环保要求。可广泛用 于建筑、装潢、家具、工艺品、家电外壳和容器制造等。现推广使用的高品质的玉米秸秆板，其性能优越，可替代普通木质中密度板、细木 工板。玉米秸秆板还具有质轻、高强、保温、隔音等技术特点。并且有可锯、可粘、可刨、可钉、耐磨、美观、 防潮、防蛀、安装便捷、清洁方便及经济实用等优点3。玉米秸秆在制板过程中。首先是将玉米秸秆皮穰分离，把秸秆皮作为制板原料，穰和叶可作为牲畜饲料，从而将玉米秸秆资源细化为商品，变废为宝，提高了玉米秸秆的附加值。另外，以秸秆代木，减少使用木材，可缓解森林资源短缺问题，并可减少焚烧秸秆带来的环境污染等问题。3.4 生产一次性筷子在全国单纯生产一次性筷子每年消耗的木材近300万m3，折合森林面积1 500万m2。玉米秸秆取材方便，价格低廉，生产、使用及废弃全过程没有污染，再生能耗低，因此可代替木材生产一次性筷子，采用玉米秸秆生产一次性筷子3，它解决了目前秸秆难以处理的问题，适应社会需要，变废为宝、变害为利，并具有保护环境、保护森林与生态、提高人民生活质量、增加农民收入，亦可发展为包装行业的一项纯天然绿色工程。3.5玉米秸秆制作全降解餐具及全降解包装袋技术利用玉米秸秆为原料制做全降解发泡餐具的技术与生产设备是绿色的技术与产业，为大量弃置的玉米秸秆找到了很好的出路2。其意义还不仅如此，随着经济的发展和旅游业的兴起，人们对一次性快餐具的需求量愈来愈大，而我国目前使用的几乎都是EPS泡沫塑料快餐具，这种餐具大量弃掷，到处都是，形成了从所周知的“白色污染”。它的处理非常困难，埋入地下百年不烂，劣化了土壤；焚烧处理会产生有毒气体污染空气。而秸秆全降解发泡餐具原料来源广泛易得，成本低廉，防水阻油性能好，强度高，隔热性能好，可完全生物降解，生产过程无污染，替代EPS发泡工艺技术及JYK品牌设备导入绿色餐具生产领域，生产环保、节能、利废的绿色产品。JYK秸秆全降解餐具成套设备是以玉米秸秆为原料，同时添加由多种物质综合而成的辅助材料，经交联发泡成形，再经干燥、消毒等工序制成一次性可降解发泡餐具。通过更换主机模具，可生产出各种规格的一次性碗、盘、杯、碟、快餐盒、蛋糕盒、方便面盒等绿色餐饮具。3.6 玉米秸秆生产单细胞蛋白 为了解决世界性的粮食危机，正确处理好动物与人类争食问题。我们可以采用微生物法发酵玉米秸秆生产单细胞蛋白9，单细胞蛋白作为饲料蛋白，是现代食品工业和饲料工业的重要蛋白来源，用单细胞蛋白喂养家禽、家畜，效果好、生长快，奶牛产奶多，鸡产蛋率增高，并能增强机体免疫力。开发利用玉米秸秆饲料发展畜牧业，不仅可以节约饲料资源，而且可以改善生态环境，形成农业生产的良性循环，促进农业的可持续发展，还有效地解决了动物与人类争夺粮食问题。4 玉米秸秆生物制浆为了使玉米秸秆得到充分的利用，同时又不污染环境，我们要开发出一条玉米秸秆的新出路，即玉米秸秆生物制浆。生物制浆是辅助工艺，起到降低部分能耗和污染的作用，它是以生物分解为主，配合各种物理破解与机械破解交叉组合的复合工艺，真正的实现制浆行业梦寐以求的零排放、无污染、无臭味、无悬浮物、节水、节电、节煤、节省原材料、降低生产成本的愿望4,6。这是一种清洁、洁净的制浆生产线，生产用水全部封闭循环使用，它彻底的改变了全世界已应用几百年排出废液的化学制浆法。所以，以生物制浆为主、物理破解为辅的革命性创新制浆技术是一种清洁制浆、环保制浆工艺。生物制浆是利用微生物所具有分解木质素的能力，来除去制浆原料或纸浆中的部分木质素，使植物组织与纤维彼此分离制成纸浆的过程10。根据对纤维物料不同的腐朽方式，自然界中使植物组织腐烂的菌种可以分为三类:褐腐菌、软腐菌和白腐菌，生物制浆通常用的是其中的白腐菌。生物制浆主要包括生物化学制浆和生物机械制浆。生物化学制浆，一般是指用白腐担子菌作预处理的化学制浆，可以在达到相同纸浆硬度时获得较好的制浆效果；生物机械制浆是以微生物代替化学药品对玉米秸秆磨浆前进行预处理，以达到节省能耗和提高纸浆强度的目的。玉米秸秆生物制浆应用于造纸工业，在制浆造纸工业中存在着纤维资源紧缺、环境污染较严重和能量消耗较高等问题，使用生物技术对于提高纸浆得率，降低纤维原料消耗量，减轻或消除污染以及节约能源具有很大的潜力。4.1 生物制浆技术生物技术用于造纸工业具有诱人的发展前景，近年来，随着人们对生物技术研究的进一步深人拓展，生物技术在造纸中的应用变得越来越广泛。当前，造纸业普遍面临着原料短缺、能源供应紧张以及污染严重等问题6。传统的方法在解决这些问题方面已明显感到力不从心，生物技术作为一种近年来发展起来的新技术，它在制浆造纸工业中的应用涉及制浆、漂白、废纸回收利用及废水处理等方面，具有节省能源和环境友好的特性。玉米秸秆是由纤维素、半纤维素、木质素、浸提物及灰分等组成，若能够充分利用我国丰富的玉米秸秆资源，提取所需要的纤维素，不但能够缓解人类所面临的资源危机，也为人类持续发展提供了保证。当前生物制浆采用白腐真菌降解木质素，但存在制浆周期长的缺点。制浆工艺本身是一个很长的流程，生物预处理方法还可以用在漂白阶段，达到提高漂白效率和提高质量的作用以及污水处理等工序上。4.2 生物化学制浆生物化学制浆是通过生物方法，用微生物或其他生物制品(如生物酶等)预处理原料，减少蒸煮化学药品用量和能耗，提高纸浆的质量，或者在化学药品用量不变的情况卜，降低打浆能耗，减少后续漂白化学药品用量和减轻漂白废水污染负荷10。生物方法预处理玉米秸秆一般都采用白腐菌处理，这些菌种可以生产木素过氧化酶、二价锰过氧化酶和漆酶。生产预处理木片的主要影响因素是:菌种种类、酶用量、pH值、温度和浓度、原料材种等。目前，生物化学制浆重点已转向利用生物技术对化学浆进行预处理。4.3 生物机械浆1）利用木素降解菌的生物机械制浆，玉米秸秆在机械磨浆前用木素降解菌处理，能导致机械制浆过程降低磨浆能耗，提高纸浆强度性质以及减轻废水对环境的污染7。虽然生物机械纸浆的光学性质有所下降，但是通过采用过氧化氢漂白后的纸浆能够改善其光学性质。2）利用漆酶的生物机械制浆，当生产机械浆时，玉米秸秆在盘磨浆机中进行磨浆前，采用漆酶，在pH为210和温度2090下预处理秸秆，使秸秆中的木质素得到改性。这样可以明显地降低磨浆能耗，并改进了纸浆的物理强度性质8，使纸浆质量达到化学热磨机械浆的质量，同时可降低污染负荷。生物机械浆法生产纸浆的工艺为：秸秆破碎，直接生物一次分解由真菌将木素及果胶果糖软化 机械加工分丝细化 二次分解由真菌将木素及果胶果糖分解成二氧化碳和水 菌水洗涤将残存木素从纤维上进一步清除分解成二氧化碳和水 疏解细化纤维 磨浆 筛浆分离粗细纤维除砂净化纤维 常温生物漂白 菌水洗涤将残存杂质从纤维上全步清除分解成二氧化碳和水 纸浆白度稳定处理 干燥后包装出厂。全部生产工艺过程中水是循环使用，不排放任何污水；植物木素、果胶、果糖、树脂被生物酶分解为CO2和H2O，因此不产生任何有机化合物与悬浮物；完全是净洁生产，不存在污水治理。全部生产工艺过程中全部不用加热常温分解常温漂白。4.4 生物漂白纸浆漆酶是一种多功能的苯酚氧化酶，可从白腐菌和其他天然物质中获得。当漆酶与木素反应时，表现出对木素的降解和聚合能力。通过采用漆酶介质体系（LMS），可以扩大漆酶反应底物的范围，包括酚型和非酚型聚合物，这一特性使其适用于生物漂白5。漆酶介质体系同样有助于去除树脂和酚型杂质，还可以去除木材和水中的染料，漆酶技术可以应用到造纸生产链的整个过程中，从制浆到二次纤维回用，以及废水处理方面。造纸工业中一个很重要的工段是漂白工段，漂白的主要目的是除去纤维内的有色物质获得具有一定白度和适当的物理及化学性能的纸浆。漆酶能选择性地催化木质素及其前体分子降解，这一特性可用于纸浆生产和造纸废水的处理，这使漆酶在造纸工业中有良好的应用前景8。传统的高温蒸煮工艺去除木质素，不仅污染环境，消耗能量，而且会使部分纤维素和半纤维素降解，降低纸浆得率，而用木质素降解酶进行木浆的前处理，不仅可以节约能源，降低成本，还能大大减轻环境的污染，而且还可以保证纤维素的完整，提高纸浆得率。木质素降解酶中研究最多应用最为广泛的是漆酶，因为与木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶相比，漆酶具有不可比拟的优点，比如:来源广泛、产量高，使用方便等。应用漆酶进行纸浆的生物漂白已引起人们的广泛关注。传统的纸浆漂白工艺使用氯气，会产生有毒的氯酚类化合物，从而带来严重的环境污染7。利用酶法对纸浆进行漂白，不仅可以更加有效地脱氯，而且反应条件温和，不会产生有毒物质，更加环保。因此，漆酶在生物制浆和纸浆的生物漂白等造纸工业领域具有诱人的潜在应用前景。5 生物制浆中黑液的处理解决传统草浆造纸工艺所带来的黑液污染问题，是造纸业公认性世界题6。玉米秸秆制浆属于草浆，在生产过程中不可避免的会产生黑液，黑液有高浓度和低浓度两种。黑液是在秸秆蒸煮过程产生的，黑液影响纸张的白度和光度，因此在制浆过程中应尽量避免黑液的产生。有研究表明黑液无毒、无害、易分解，黑液在曝气池中沉淀经微生物之后可以制作复合肥，应用于农业生产。6玉米秸秆的发展前景玉米秸秆应用于造纸工业可以缓和我国造纸原料短缺的严竣形势，为大量废弃物的玉米秸秆资源找到了新的利用途径，减少了浪费，有利于环保。秸穰改性处理后应用到造纸领域中更是提升了玉米秸秆作为造纸原料的价值，加入到纸浆中，可以对浆性能加以改善，且加入量较大，可以替代部分浆纤维。玉米秸秆若大规模应用于我国造纸工业中，还会对我国农业种植布局、农民收入等产生积极影响。总之，玉米秸秆应用于造纸工业无论对于造纸工业本身还是对于农业的发展都具有重要意义。今后，玉米秸秆还会应用到更广泛的领域，玉米秸秆秸秆富含丰富的纤维素，可以为纺织行业的发展提供丰富的原料，但目前玉米秸秆纤维素的提炼还处于研究阶段，相信不久的将来玉米秸秆会在工业发展的各个领域实现其自身的应用价值。7 结论玉米秸秆可以说是一种宝贵的可再生资源，它不仅可以用于饲料、生产沼气、发电、制浆造纸、制造丁醇等等，而且也我们可以的进步提供了一个新的研究方向。目前，玉米秸秆应用于生物制浆造纸，技术还不成熟，还需要花费大量的时间去做实验。今天被人们焚烧和废弃的玉米秸秆也变成了“黄金”。让我们开启智慧的头脑，充分利用玉米秸秆这一丰富的资源，让玉米秸秆更好地应用于我们的生活，为我们的生存带来更多的新产品，使我们的日常生活变得更加美好。参考文献：1 杨治平.玉米秸秆利用概况及秸秆发酵前景展望J.学术交流.2010-08-052 张红杰.玉米秸皮和穰的综合利用D.硕士学位论文.东北林业大学.2012-63 王敬昌，杜运科等. 玉米秸秆综合利用现状及发展策略J.农业科技通道，经验交流.2012-114 陈洪雷. 玉米秸秆废弃物在制浆造纸领域中的应用D.硕士学位论文.山东轻工业学院.2008-5-105 朱双友. 杂色云芝液态和固态发酵产漆酶及离子液体对生物质预处理的研究D.博士学位论文.山东大学.2011-11-206 宋先峰. 采用生物技术秸秆制浆造纸新工艺J.技术进步.2010-97 王芳芳. 玉米秸皮生物机械法制浆的研究D.硕士学位论文.山东轻工业学院.2011-2-278 谢慧芳.漆酶在有机溶剂体系中的应用J.环境科学与技术. 南京林业大学化学工程学院2011-99 尤春玲，黄娜. 微生物法发酵玉米秸秆生产单细胞蛋白的研究进展J.农业加工学刊，第3期.2008-310 佘集锋. 生物技术在制浆造纸中的应用J. 广西轻工