秸秆厌氧发酵预处理技术简介

秸秆厌氧发酵预处理技术简介 摘 要 秸秆是含有大量木质纤维素的生物质，难被细菌直接分解，这限制了秸秆厌氧发酵产沼气技术的发展。预处理可提高秸秆发酵速率和效率。本文介绍了目前国内外秸秆厌氧发酵预处理的主流技术，并指出了秸秆厌氧发酵预处理技术未来的发展方向。 关键词 秸秆 厌氧发酵 预处理 中图分类号：S210.7 文献标识码：A 农作物秸秆资源是地球上最丰富的可再生资源，世界每年可产生近20亿吨秸秆。随着世界化石能源日趋枯竭，人类将濒临能源危机，农作物秸秆资源作为高效清洁的可再生能源一直备受人们的关注。目前秸秆资源化主要有秸秆饲料化、秸秆还田、秸秆工业原料化和秸秆生物能源化技术。其中最具有代表性、发展最早的是秸秆木质纤维素原料厌氧发酵产沼气技术，现在已发展成为制取清洁高效安全的生物天然气。此技术已成为21世纪的研究热点，具有十分深远的经济价值和战略意义。 但是在实际生产过程中，秸秆发酵产气率并不高，这是因为秸秆中木质纤维素含量高且难以分解，因此造成秸秆厌氧消化发酵启动慢、分解慢、发酵时间长、产气率低等问题。由此需要对秸秆进行有效的预处理，从而提高秸秆发酵的速率及效率。 1厌氧发酵预处理技术 农作物秸秆中木质纤维素含量相对较高，而木质纤维素的结构极其复杂，厌氧微生物对其水解较弱，水解缓慢且程度很低，进而影响后续的酸化和产甲烷。由此需要对秸秆进行有效预处理，并优化厌氧发酵条件，提高秸秆发酵产气速率和产气质量。目前国内外秸秆发酵预处理主要技术有物理技术、化学技术、生物技术、物理化学技术和化学生物联合处理技术等。 1.1物理预处理技术 物理技术是最常见的生物质预处理技术，主要是通过缩小生物质粒度来降低结晶度，破坏木质素、纤维素、半纤维素之间的网状结构，增加生物质秸秆的比表面积，使得生物质软化而进一步分离、降解，从而增加酶对纤维素的可及性，提高纤维素的酶解转化率。主要技术方法有机械粉碎、冷冻粉碎、高温分解、超声波、蒸汽爆破、微波处理、高能辐射处理等。 1.1.1机械粉碎 机械粉碎是通过各种机械剪切力将秸秆原料变成小切片或细小的颗粒。粉碎后的原料聚合度降低，纤维素的水解率增加。不仅可以破坏秸秆表面的蜡质层，而且可以增加厌氧微生物与基质的接触面积，进而破坏细胞壁结构。但由于机械粉碎工艺一般效率较低，通常会联合其它方法对秸秆原料进行预处理。 1.1.2高温热解 高温热解预处理包括液相高温热水分解和高温分解两种，二者都需在高温下进行。高温作用下秸秆原料中的纤维素、半纤维素等发生快速水解，且水解产率高，预处理后的纤维素具有较高的酶消化性。但高温热解预处理需要消耗大量的水和热量，因此成本高、能耗高。若要进行工业化利用，必须降低水耗和能耗。 1.1.3蒸汽爆破 蒸汽爆破预处理是在蒸汽爆破的过程中，大量的高压蒸汽渗入纤维内部，并以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来，促使纤维发生一定程度的机械断裂，同时破坏纤维素内部的氢键，改变纤维素内部的结构。蒸汽爆破预处理，可使秸秆中总固形物和挥发性固形物含量降低，半纤维素和纤维素降解率显著提高，总产气量增加明显，是一种有效的预处理方式之一。但蒸汽爆破设备要求高压条件，且投资成本较高，因此蒸汽爆破的理论和技术还有待进一步研究和突破。 1.2化学预处理技术 化学预处理是利用化学方法来破坏半纤维素与木质素间的共价键，从而提高原料降解率的方法。该方法能够破坏纤维素、半纤维素、木质素之间的结晶性，可加速天然纤维素溶解。化学方法主要有酸化、氨化、碱化等，目前较常采用的是碱化法。 1.2.1酸处理 常用的酸预处理剂包括硫酸、硝酸、磷酸等。酸预处理可提高反应速率，增加纤维素的水解性，从而提高产气率。覃国栋等研究发现，酸处理可显著改变水稻秸秆的生物降解性质，显著提高产气效率。但酸处理剂具有强腐蚀性，对发酵设备损害严重。 1.2.2碱处理 碱预处理可使木质素大分子碎片化，并溶解于反应溶液中，同时使纤维素膨胀，半纤维素溶解，进而提高剩余多聚糖的反应性，但这种作用的效果取决于木质素的含量。当原料中木质素的含量高于20%时，碱预处理对后续酶的水解反应几乎不起作用。常用的碱预处理剂有NaOH、KOH、Ca（OH）2和氨等。碱溶液作为预处理剂效果显著，成本较低，操作安全，但与酸预处理类似，存在后续残余物回收及腐蚀的问题，这些预处理方法对环境均会造成污染。 1.2.3氨化处理 氨化处理就是用氨水、无水氨或尿素处理秸秆。氨化具有三种作用：（1）碱化作用，氨为碱性，故可起到与碱化处理方法同样的作用；（2）氨化作用，氨与秸秆中的有机物发生变化，生成铵盐，成为厌氧微生物的氮素来源，被微生物利用，并同碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸，进一步合成菌体蛋白；（3）中和作用，氨呈碱性，可与秸秆中的有机酸结合，消除秸秆中潜在的酸性，提高微生物的活性，从而提高秸秆的消化率。 1.3生物预处理技术 生物预处理技术是利用某些微生物（包括真菌、基因工程菌和酶类） 来降解原料中的木质素。其技术关键就是寻求强木质素降解能力的菌种，并确定其适宜的发酵条件。常用的真菌有白腐菌、褐腐菌和软腐菌，其产生的木质素分解酶系作用于物料，可提高纤维素和半纤维素的转化率。堆沤预处理是目前较为常用的秸秆生物预处理方式。 1.4联合预处理技术 各