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竹子作為能源材料應(yīng)用

發(fā)布時間:2021-05-14

竹子作為能源材料應(yīng)用dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
竹子具有可再生性強、生長周期短且富含纖維素、半纖維素,是生產(chǎn)乙醇的重要潛在原料之一。目前有關(guān)木質(zhì)纖維素乙醇的研究主要圍繞原料預(yù)處理、酶解、發(fā)酵三大關(guān)鍵步驟進行,其中原料預(yù)處理的能耗和效率問題是該工藝的重要制約因素。本文在綜述國內(nèi)外木質(zhì)纖維素乙醇原料預(yù)處理的基礎(chǔ)上,著重分析了竹材的化學組成和結(jié)構(gòu)以及各種竹材預(yù)處理的優(yōu)缺點。包括機械粉碎法能耗大,蒸汽爆破法對設(shè)備的要求高,化學方法易造成環(huán)境污染,生物方法生產(chǎn)周期長、效率低,離子液體優(yōu)點明顯但需要更深入的研究。提出采用不同預(yù)處理工藝聯(lián)合使用,以期達到優(yōu)勢互補的目的。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
竹材與木材、秸稈等其它木質(zhì)纖維素材料的化學成分主要是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,但其各自的含量不同。竹材中的纖維素和木 質(zhì)素含量均比秸稈中的高。秸稈結(jié)構(gòu)松散,比較容 易加工處理。而竹材與木材、秸稈相比,具有密度 大、硬度高和強度好等特點,再加上竹材特殊的化學結(jié)構(gòu),使得竹材比木材、秸稈難于處理。例如秸稈可以采用低壓無污染蒸汽爆破技術(shù),無需添加任何化學藥品,只需控制秸稈的含水率即可分離出80% 以上的半纖維素,且使秸稈纖維素的酶解率達到90% 以上。而竹材的蒸汽爆破處理的壓力和溫度遠比秸稈的要高。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上海科利瑞克機械
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1、竹材制取生物乙醇的預(yù)處理dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上海科利瑞克機械
竹材生產(chǎn)乙醇的基本工藝同其它木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇一樣,分為預(yù)處理、水解、發(fā)酵和純化等四部分。由于木質(zhì)素、半纖維素對纖維素的保護作用以及纖維素本身的結(jié)晶結(jié)構(gòu),天然纖維素原料直接進行水解時,其水解程度很低。因此為了提高糖化速度,必須對纖維素進行一定的預(yù)處理。預(yù)處理的目的是去除阻礙糖化和發(fā)酵的竹材內(nèi)在結(jié)構(gòu),粉碎木質(zhì)素對纖維素的保護,破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu),增大生物酶與纖維素的接觸面積,并取得良好的水解效果。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
預(yù)處理過程是竹材生產(chǎn)乙醇能否工業(yè)化的關(guān)鍵步驟,是整個生產(chǎn)過程中最昂貴的步驟之一,對其之前的原料尺寸處理和其之后的酶水解與發(fā)酵過程都有很大的影響,如預(yù)處理效果好,水解過程中酶用量就少,并且無須使用成本較高的酶 。此外,水解過程產(chǎn)生的一些酸、醛等也會影響發(fā)酵過程中微生物的活性。因此,選擇適當?shù)念A(yù)處理工藝是竹材生產(chǎn)乙醇首先要解決的重要問題。一般預(yù)處理方法應(yīng)滿足以下要求:dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上海科利瑞克機械
①有利于提高生物酶水解過程的糖化率;dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上海科利瑞克機械
②避免碳水化合物的降解或損失;dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上海科利瑞克機械
③避免生成對后續(xù)酶水解或發(fā)酵有害的副產(chǎn)物;dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
④經(jīng)濟環(huán)保可行。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
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2、預(yù)處理方法歸納起來包括物理法、化學法和生物法dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
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2.1物理方法預(yù)處理dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
機械粉碎是木質(zhì)纖維原料預(yù)處理的常用方法,用球磨、碾磨將纖維素物質(zhì)粉碎、使顆粒變小,降低結(jié)晶度,對處理高結(jié)晶度和高度木質(zhì)化的材料都有較高的容積密度,有利于增加酶反應(yīng)的基質(zhì)濃度,提高酶的作用效率。在機械粉碎預(yù)處理的方法中,以球磨(振動球磨)的效率最高,高溫下研磨比在低溫下研磨的效果更好,如果研磨時加入少量木質(zhì)素溶劑或膨脹劑亦可以提高研磨的效果,機械粉碎預(yù)處理法能耗大,粉碎處理的能耗占糖化過程總能耗的一半以上。粉碎所需動力大小主要是由粉碎粒度的大小和材料本身的性質(zhì)決定 。對于竹材這種密度大、硬度高的材料來說,機械粉碎的能耗會更大。因此一般不建議直接采用機械粉碎法預(yù)處理竹材。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
另外,蒸氣爆破法也研究得較為深入,蒸氣爆破處理法是將原料先用150~240 ℃的水蒸汽處理適當時間(30 s ~200 min),在蒸煮的過程中發(fā)生水解反應(yīng),然后立即降至常壓,原料的內(nèi)含水閃蒸時產(chǎn)生巨大的爆破力、摩擦力與碰撞力,使纖維原料爆破成碎渣,孔隙增大,連同水蒸氣一起從反應(yīng)釜中急速放出。結(jié)果使得纖維素結(jié)晶度降低,半纖維素分解為溶于水的低聚物,物料中的纖維素含量相對有所增加。部分木質(zhì)素小分子化,可以通過水洗而除去如在243 ℃、35 atm 下(1 atm=10 5  Pa), 反應(yīng)時間 5 min 蒸氣爆破毛竹,可使葡萄糖收率達到42.6% ,總還原糖達到 48.8%  。用二氧化硫進行蒸氣爆破預(yù)處理有酸催化的特點,二氧化硫的加入能催化水解半纖維素。以3%的二氧化硫在200  ℃下處理巨竹 6 min ,可以有效的水解半纖維素且副產(chǎn)物的量很少,預(yù)處理后進行酶水解可使 75% 的葡聚糖轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?。和機械粉碎法相比,蒸氣爆破能耗低。該方法的不足之處是設(shè)備的要求高,工業(yè)化生產(chǎn)中耐高壓容器的制造還是有一定困難的。另外,在高溫條件下由于部分木糖的變性會產(chǎn)生糠醛等有害物質(zhì),對接下來的酶水解和發(fā)酵過程有抑制作用。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
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2.2 化學方法預(yù)處理dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
通常采用酸、堿、次氯酸鈉、臭氧等試劑進行木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理,其中以氫氧化鈉和稀酸預(yù)處理研究得較多。堿預(yù)處理操作簡便,設(shè)備要求較低,用堿處理木質(zhì)纖維素材料可顯著提高酶解效率。常用氫氧化鈉和石灰,氫氧化鈉可以使分子間鍵皂化,脫去木質(zhì)素,促進纖維素的化學膨脹。用1% NaOH 120 ℃處理1 h ,能脫去 80% 以上木質(zhì)素,因而有較強的脫木質(zhì)素和降低結(jié)晶度的作用 。但是脫除木質(zhì)素的同時,半纖維素也被分解,而且是以大分子的形式而不是以單糖的形式進入溶液,不能被微生物利用,因而這部分的半纖維素被浪費了。堿處理的另一缺點在于氫氧化鈉成本較高且不易回收,產(chǎn)生的廢液會造成環(huán)境污染。 另外,很多學者開始關(guān)注過氧化氫預(yù)處理各種木質(zhì)纖維原料的研究,并證明過氧化氫預(yù)處理可以顯著提高纖維素酶解效率 。在 90 ℃下,用 1% 的過氧化氫和 1%的氫氧化鈉處理毛竹 1 h,葡萄糖 收率達到 39.9% ,總還原糖達到 56.8%。 與氫氧化鈉相比,氨的成本相對較低,若采用適宜的方法可以實現(xiàn)氨的循環(huán)使用。而且氨處理去除木質(zhì)素的效果相對較好,經(jīng)處理后50% ~ 55% 的木質(zhì)素被脫除,同時半纖維素也去除了一 部分。由于在纖維物料酶水解過程中,木質(zhì)素能阻止酶分子對纖維素的進攻,從而降低了反應(yīng)速率,而適當濃度的氨可脫去大部分木質(zhì)素但保留大部分半纖維素,這樣既可消除酶解的主要障礙,又能使纖維素和半纖維素得到充分利用 。目前未見以氨來預(yù)處理竹材提高酶解效率的相關(guān)報道。在酸預(yù)處理竹材研究中,分為酸直接水解糖化和酸預(yù)處理后酶水解糖化。酸直接水解法有以竹加工剩余物竹簧為原料,兩步法硫酸水解竹加工剩余物,第一步 50 ℃,第二步 100  ℃,20% 硫酸濃度,水解時間 1 h,還原糖得率 80.14% 。竹簧是竹材在機械加工過程中的主要廢棄物,竹簧大多為細小的單體,其中糖類的提取比整竹材要容易很多,在硫酸質(zhì)量分數(shù) 3.5%、反應(yīng)溫度 100℃下反應(yīng)2.5 h,戊糖得率72.61%,總還原糖收率48.8% 。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
稀酸預(yù)處理通常采用 0.3%~1.2%的H2 SO 4,在 110~220℃下處理一定時間,其中半纖維素被水解成單糖,主要以木糖的形式進入溶液中,殘余物形成多孔或溶漲型結(jié)構(gòu),從而促進了酶水解,但木質(zhì)素依然保留在固體殘渣中,所以經(jīng)處理后,剩余物料中半纖維素含量顯著減少,而纖維素和木質(zhì)素的相對含量有所增加。木質(zhì)素的增加對后續(xù)步驟會有一定的不良影響。稀酸處理還可使纖維素的平均聚合度下降,反應(yīng)能力增大,有利于酶解的進行。此外,稀酸處理后所得的處理液中含有大量的木糖,可用來進行微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化為其它產(chǎn)品,因而這部分被降解的半纖維素也可以得到經(jīng)濟合理的利用。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
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2.3 生物方法預(yù)處理dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
近年來,關(guān)于選擇分解木質(zhì)素的微生物或酶進行纖維素預(yù)處理的研究比較多。這些研究首先于對木材腐敗菌的認識。木材腐敗菌按木材被腐朽菌分解后的顏色和形態(tài)分為:白腐和褐腐。木材遭受白腐菌侵染,主要分解利用木質(zhì)細胞壁中的木質(zhì)素,僅留下纖維素,朽材比健康材色淺,呈灰白色或淺黃白色或淺紅褐色,露出纖維狀結(jié)構(gòu),叫白腐。但實際上,隨后研究發(fā)現(xiàn)白腐菌實際上 可以降解所有細胞壁組成部分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)。木材遭受褐腐菌侵染,主要分解利用木質(zhì)部的纖維素,木質(zhì)部殘留下來主要是木質(zhì)素,顯示紅褐色或棕褐色,叫褐腐。在褐腐過程中,由于木材成分較大的纖維素很快被分解掉,所以褐腐在初期就很快引起木材質(zhì)量的減少和強度下降。木質(zhì)素分子是一個高度復(fù)雜的多聚物,其單體和排列順序是多種多樣的,與多聚糖結(jié)合牢牢地固定在次生胞壁和細胞間隙中。能夠利用和分解木質(zhì)素的真菌主要是白腐菌。例如,白腐中木質(zhì)素含量在腐朽的發(fā)生發(fā)展中一直降低,而褐腐基本上沒有木質(zhì)素含量的減小。白腐菌在大多數(shù)微生物中獨具解聚和代謝木質(zhì)素的能力。許多研究表明,不同的白腐菌對木材主要成分的降解順序和降解速 率不同,白腐菌對木質(zhì)素的降解,依賴一些酶的產(chǎn)生和分泌。這些酶共同構(gòu)成白腐菌木質(zhì)素降解酶系 統(tǒng)或木質(zhì)素修飾酶系統(tǒng)。這一酶系統(tǒng)的主要組分,或束縛在細胞壁上,或分泌在胞外;它們各有分工,又協(xié)同作用,為白腐菌獨特的生物降解能力提供基礎(chǔ) 。其主要組分有木質(zhì)素過氧化物酶(Lip)、錳過氧化物酶(MnP )、過氧化氫酶、以及其它如漆酶(Lac)等。利用這類真菌可以降解纖維原料中的木質(zhì)素,從而提高纖維素的酶解效率。目前研究較多的是白腐菌中的彩絨革蓋菌(Coriolus versicolor ),以此來預(yù)處理毛竹,20 ~30 天預(yù)處理后可使還原糖的收率提高至12.9% ~13.5%  。另外,利用分離的酶進行預(yù)處理比直接利用微生物更加困難,因為無細胞的木質(zhì)素降解酶可能是酶和輔酶的復(fù)雜混合物。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
生物預(yù)處理方法條件溫和,能耗低,無污染,但通常處理的時間周期較長,而且許多白腐真菌在分解木質(zhì)素的同時也消耗部分纖維素。生物技術(shù)的最新進展是對真菌基因展開研究改變其基因型使其為人類服務(wù),其中對白腐菌進行遺傳改良,將有助于拓展生物方法預(yù)處理的實際應(yīng)用。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
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2.4 新興的預(yù)處理方法dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
近十年來,離子液體作為一種新興的環(huán)境友好的綠色溶劑和催化劑應(yīng)用于許多化工過程,引起了研究者的廣泛關(guān)注。離子液體具有許多優(yōu)點,使其成為新興的“綠色溶劑”,是替代傳統(tǒng)易揮發(fā)、污染環(huán)境的有機溶劑的最佳選擇。這些優(yōu)點有:液態(tài)范圍寬,溶解范圍廣;蒸氣壓低,因此不易揮發(fā);不易燃燒,無特殊氣味;熱穩(wěn)定性好,可回收利用;酸堿性可調(diào);通過調(diào)節(jié)其陽離子和陰離子成分,可改變其密度、黏度、極性及折射率等物理性質(zhì)。最近,室溫離子液體被用于溶解一些天然聚合物,如纖維素、淀粉及木質(zhì)素等。利用這一方法對生物質(zhì)原料進行預(yù)處理,可以避免高溫和化學預(yù)處理過程中產(chǎn)生的發(fā)酵抑制物;同時,由于離子液體的成分可以調(diào)節(jié),針對不同的生物質(zhì),可以有針對性的配置不同的離子液體,以達到最佳預(yù)處理效果; 利用離子液體的不易揮發(fā)性,可以用水或乙醇等溶劑回收離子液體,同時這些溶劑也可回收再利用。Dadi等對用氯化1- 丁基-3-甲基咪唑([C4mim]Cl)離子液體處理過的纖維素進行了糖化反應(yīng)的研究,結(jié)果表明,離子液體預(yù)處理可以促進后續(xù)的水解過程,酶水解速率是未處理時的50倍以上。此外,在室溫離子液體中,糖類可以進行一系列的化學和酶反應(yīng)。dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
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2.5預(yù)處理發(fā)酵抑制物的產(chǎn)生dE3超細超微粉碎機_氣流粉碎機_礦石石頭石料磨粉機_微粉磨設(shè)備廠家-上??评鹂藱C械
木質(zhì)纖維原料水解液中常含有纖維素和半纖維素的降解產(chǎn)物和一些中和形成的鹽類,如糠醛、5- 羥甲基糠醛(HMF)、甲酸、乙酸、鈉鹽和硫酸 鹽等。其中乙酸、糠醛等對酵母發(fā)酵具有較大的抑制作用。乙酸、甲酸等可以通過抑制酵母的呼吸來減弱酵母的發(fā)酵能力。呋喃醛類化合物對釀酒酵母的影響主要是抑制酵母生長,使延滯期增長,降低乙醇得率和產(chǎn)量,其抑制作用程度取決于其濃度以及菌株的遺傳背景等。因此有效的預(yù)處理方法應(yīng)該盡可能減少這些酵母抑制物的產(chǎn)生研究了乙酸、甲酸和乙酰丙酸對釀酒酵母乙醇發(fā)酵的影響,研究結(jié)果表明低濃度的弱酸(<100 mmol/L)可以增加乙醇得率,而在高于這一濃度時,乙醇得率則會降低。目前有關(guān)竹材預(yù)處理發(fā)酵抑制物的研究較少。SO2蒸氣爆破預(yù)處理巨竹時抑制物的生成量為糠醛 0.3%,5-羥甲基糠醛0.1%和乙酸 1.3%。抑制物的量不大,對酵母的乙醇發(fā)酵影響不大。功能化酸性離子液體可根據(jù)反應(yīng)的需要改變陰、陽離子,使其具有酸性可調(diào)性,并且酸性位密度高、酸強度分布均勻、酸性不易流失,更有利于離子液體的循環(huán)使用。