玉米秸稈預(yù)處理技術(shù)發(fā)展文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u25502玉米秸稈預(yù)處理技術(shù)發(fā)展文獻綜述 1250521.1.1物理法預(yù)處理 1123081.1.2化學(xué)法預(yù)處理技術(shù) 2250241.1.3生物法預(yù)處理 321040參考文獻 6在農(nóng)業(yè)廢物厭氧消化過程中，運用的原料是基質(zhì)釉軒類木質(zhì)纖維素，它是由半纖維素，纖維素，木質(zhì)素和灰分等主要成分組成。它的物化結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有很高的聚合度和結(jié)晶度，且其非常難以被微生物難直接消化和利用。為充分利用農(nóng)業(yè)廢物的厭氧消化能力，要對生物質(zhì)原材料進行預(yù)處理，來達到破壞苞米秸稈復(fù)雜的理化構(gòu)造的目的，使秸稈的結(jié)晶度得以下降，為微生物的降解反應(yīng)奠定基礎(chǔ)，使其擁有良好的環(huán)境達到降解效果，從而達到提高酶解率、產(chǎn)酸量、產(chǎn)氣率的目的。現(xiàn)在，原材料的預(yù)處理辦法主要有物理法法，化學(xué)法，塵物法法等[15]。物理預(yù)處置能提升生物質(zhì)產(chǎn)量和孔隙率。化學(xué)預(yù)處理能解聚長鏈物，破壞化學(xué)鍵，使其聚合度得以下降。判斷和選擇預(yù)處理工藝，不僅要考慮生物質(zhì)的種類和構(gòu)成，還要從以下幾個方面考慮預(yù)處理工藝是否符合條件。首先，預(yù)處理后的秸稈是否存在抑制物，改善生物質(zhì)的水解能否被它改善和優(yōu)化。第二，碳水化合物是否會被過量降解，進而使其損耗率升高，影響預(yù)處理的效果。最終，也還要著重考慮的是，它是否具有成本效益。物理法預(yù)處理物理預(yù)處理，是不用化學(xué)藥劑、微生物菌種等包含復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的一種預(yù)處理工藝技術(shù)。粉碎技術(shù)（如粉碎和硏磨）、蒸汽爆破、高溫液態(tài)水預(yù)處理、福澤預(yù)處理等一系列的預(yù)處理工藝都算物理預(yù)處理法。物理預(yù)處理可以大幅度提高農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化產(chǎn)黃率。（1）粉碎預(yù)處理木質(zhì)纖維素生物質(zhì)粉碎已廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)能的生產(chǎn)。粉碎預(yù)處理減少了生物質(zhì)的粒徑，使木質(zhì)纖維素的內(nèi)亞顯微構(gòu)造峰得到改變，纖維素的接觸比表面積也隨之增加，降低了纖維素的結(jié)晶度，也降低了聚合度，同時使厭氧消化的產(chǎn)氣量得到提升[16]。依據(jù)相關(guān)科學(xué)研究，0.088到化4mm的物料粒徑范圍，是最適合農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄物進行厭氧雜化的。對于不同物料而言，它的最適粒徑會有差別，以多汁葉片為例，粒徑對產(chǎn)氣量的導(dǎo)致不顯著，而秸稈生物質(zhì)的產(chǎn)氣量隨粒徑的減少而增加。（2）蒸汽爆破預(yù)處理蒸汽爆破預(yù)處理又稱自水解工藝。在一定壓力下滲入玉米秸稈纖維組織。加熱到一定體溫后，會反應(yīng)一段時候，然后迅速減壓。蒸氣迅速釋放，引起玉米秸稈爆炸，使纖維結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度得到了嚴重的破壞，促進玉米秸稈的降解轉(zhuǎn)換。催化蒸氣爆炸法與這種方法大相徑庭，催化蒸氣爆炸法不添加化學(xué)物質(zhì)。一般情況下，蒸汽爆破預(yù)處理的溫度在160攝氏度至260攝氏度范圍內(nèi)，壓力為2至5兆帕范圍內(nèi)，處理時間從若干秒到若干分鐘的范圍內(nèi)。在這種原因下，半纖維素被水解，變成低聚木糖或單糖，而木質(zhì)素也被消除了一部分。此外，木質(zhì)素上的醋酸基等官能團易產(chǎn)生醋酸等酸性物，會使木質(zhì)素的水解進程加快。除此之外，高溫下的水，有弱酸性的特征，這一特征將進一步使得半纖維素的水解進程加速和催化。蒸汽爆破，是一種廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)預(yù)處理進程的預(yù)處理方法。然而，蒸氣爆炸法在一定程度上具有促進纖維素在非結(jié)晶區(qū)的結(jié)晶，這一可能性將嚴重阻礙微生物和酶對纖維素的接觸，進而阻礙了他們的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化?；瘜W(xué)法預(yù)處理技術(shù)化學(xué)預(yù)處理技術(shù)，是用酸堿或離子液體等化學(xué)試劑在預(yù)處理過程中破壞生物質(zhì)的物理和化學(xué)構(gòu)造，從而使原材料的產(chǎn)氣率得以提升，進而將其降解率也提升的一種預(yù)處理方法[17]。在科學(xué)探究中，最常見的幾種化學(xué)預(yù)處理方法如下：（1）堿預(yù)處理堿預(yù)處理法，是利用氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣或氨水等堿性物，對木質(zhì)纖維素原材料進行特殊反應(yīng)的一種處理技術(shù)，消除原材料中的木質(zhì)素，半纖維素微生物或酶，從而更有效果地接觸和降解生物質(zhì)原材料。堿預(yù)處理的作用則是打碎內(nèi)部的脂質(zhì)鍵，這不僅增加了木質(zhì)纖維素的孔隙率，而且增加了其內(nèi)部比表面積。同時，降低了多糖的聚合度和結(jié)晶度，破壞了木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，提高了多糖的反應(yīng)活性，大大提高了纖維素和半纖維素的酶解效率。在化學(xué)預(yù)處理范疇中，堿預(yù)處理法具有高效預(yù)處理的特性，是一種極為有效的預(yù)處理方法，這一特性能快速破壞木質(zhì)素、纖維素與半纖維內(nèi)部的脂鍵，也能避免半纖維聚合物的損失，使其折損率降到最低。而且研究發(fā)現(xiàn)，堿預(yù)處理的生物質(zhì)原料中木質(zhì)素的移除率較高[18]。（2）酸預(yù)處理酸預(yù)處理法，其原理是，在有機酸或無機酸的條件下，酸作用于生物質(zhì)原料，讓其內(nèi)部的纖維素、半纖維素之間的鍵發(fā)生斷裂，并產(chǎn)生了低聚糖、單糖，為生物質(zhì)原料后續(xù)的微生物發(fā)酵，為酶解反應(yīng)打下基礎(chǔ)，提高了其發(fā)酵和酶解反應(yīng)。依據(jù)使用的酸的濃度和溫度條件，酸預(yù)處理可以分成兩種處理方式，即低溫濃酸處理和低溫稀酸處理。低溫濃酸處理法中，濃硫酸、鹽酸或磷酸可以將生物質(zhì)水解為單糖。濃硫酸處理效果雖然比較好，但是濃硫酸畢竟是強酸，它有很強的腐蝕性、危險性，因此對設(shè)備的要求也相對較高，在實驗中要使用非金屬或合金設(shè)備等特殊的耐腐蝕性設(shè)備。同時，由于濃硫酸具有高污染性的特點，濃磷酸也要進行回收處理，這使得預(yù)處理成本的抬高，最終限制了濃酸預(yù)處理的廣泛應(yīng)用。離子液體預(yù)處理離子液體預(yù)處理，是一種新型方式，能進行生物質(zhì)預(yù)處理，它的物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)，跟其他分子型溶劑、可溶解纖維素和糖類等都大不相同。十幾年以來，由于離子液體應(yīng)用潛力非常廣闊，也在在木質(zhì)纖維素類等生物質(zhì)的溶解，轉(zhuǎn)化領(lǐng)域都得以顯現(xiàn)。因此，這使得各界的廣泛關(guān)注，都轉(zhuǎn)移到了開發(fā)新型可持續(xù)的生物能源技術(shù)上。當(dāng)然，離子液體預(yù)處理發(fā)展也并非一帆風(fēng)順，它在發(fā)展中也遇到了很多問題和挑戰(zhàn)，所以人們都對它寄予厚望，并使得離子液體的發(fā)展向著低粘度、對環(huán)境友好、廉價等一系列優(yōu)點方向，讓其在溶解生物質(zhì)的領(lǐng)域越來越顯現(xiàn)其優(yōu)勢。[19]近些年，科研界的很多學(xué)者，研究了利用離子液體來預(yù)處理纖維素，其原理是：將充分干燥的纖維素與離子液體按照一定的比例均勻的混合，在一定溫度條件下，充分進行攪拌讓它溶解，這一過程的進行，務(wù)必是在無水條件下，設(shè)置無水條件的原因是，僅存一點水也會影響離子液體溶解纖維素的反應(yīng)，在溶解完成的離子液體和纖維素的混合物中，加入C2H5OH或者H2O，能再生纖維素，隨后再使用蒸餾水充分將其洗滌，確保蒸餾水完全洗掉離子液體，再次干燥后，進行酶水解的反應(yīng)，而使用過的離子液體，也能被再次利用，它的方法是通過減壓蒸餾除去其中的乙醇或水。離子液體作為一種新型綠色溶劑，對環(huán)境無污染，不經(jīng)衍生化就能溶解纖維素，也能將纖維素大分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵直接破壞，使其比表面積得以增加，有利于纖維素酶與其接觸并水解。因此，不難得出結(jié)論，離子液體預(yù)處理具有高效、可重復(fù)使用、無污染等優(yōu)點，不可否認它的缺點就是比較昂貴。生物法預(yù)處理生物預(yù)處理法，是生物質(zhì)厭氧消化預(yù)處理過程中常見的一種預(yù)處理方式，它的原理是利用白腐真菌、褐腐菌、軟腐菌或木質(zhì)素降解酶等微生物菌和降解酶，處理原料，微生物菌種或降解酶的作用機制是：斷裂纖維素和木質(zhì)素之間的化學(xué)鍵，使木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的木質(zhì)素得以降解，使秸稈的纖維素結(jié)晶度得到降低，還能使秸稈的孔隙率大幅增加，據(jù)文獻數(shù)據(jù)，它能使秸稈的水解率等沼氣產(chǎn)量比未處理的秸稈提高15%左右。在實驗進程中，將微生物與玉米秸稈粉末和小麥秸稈粉末分別進行接種，讓秸稈被生物水解，測出水解20天后的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量，與此同時，做空白實驗與其對照，通過一系列的比較，最終得出哪種微生物消解的效果最好的結(jié)論。[20]生物法有較為特殊的特征，即反應(yīng)條件較其他預(yù)處理法更加溫和，能量也比其他預(yù)處理法投入更低，并且在預(yù)處理過程中不會添加任何化學(xué)藥品，對后續(xù)的厭氧消化反應(yīng)過程的抑制更小等眾多優(yōu)點。但是，美中不足的是，一般情況下生物法預(yù)處理時間太長，并且能使木質(zhì)素得以降解的微生物種類過少，微生物繁殖的條件，和微生物接種的實驗過程要求非?？量蘙21]。因此，現(xiàn)在生物法預(yù)處理秸稈類生物的方法，還不能廣泛引用在厭氧發(fā)酵預(yù)處理的實驗過程中，在其他應(yīng)用上也受到了很多的限制。2.2.4各預(yù)處理法的比較預(yù)處理方法多種多樣，而眾多的預(yù)處理方法也各有優(yōu)劣，為從中選出最好的預(yù)處理方法用于接下來的實驗中，特做下表用于比較：表2.2.4-1傳統(tǒng)預(yù)處理方法處理方法主要優(yōu)點主要缺點物理法增大了酶解或酸解的反應(yīng)面積，一定程度上提高了酶解或酸解效率木質(zhì)素不能被降解化學(xué)法破壞了木質(zhì)纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，增大了可及內(nèi)表面積對設(shè)備要求高、成本昂貴、能耗大、污染環(huán)境且反應(yīng)裝置易被腐蝕聯(lián)合處理法更大程度的破壞木質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以取得更優(yōu)異的水解效率操作復(fù)雜，成本高由表2.2.4-1所示，傳統(tǒng)的預(yù)處理方式分為物理法、化學(xué)法以及聯(lián)合預(yù)處理法，其中物理法的預(yù)處理不夠全面，玉米秸稈中的木質(zhì)素?zé)o法被降解；而傳統(tǒng)的化學(xué)法對設(shè)備、成本要求較高，不適用于大量的科學(xué)實驗中，且容易污染環(huán)境；聯(lián)合處理法操作復(fù)雜，成本也高。為進一步探究適用的預(yù)處理方式，將化學(xué)預(yù)處理方法細化，做出對比，如表2.2.4-2所示：表2.2.4-2化學(xué)預(yù)處理方法處理方法主要優(yōu)點主要缺點酸處理法增大了酶可及表面積，減少了纖維素的平均聚合度反應(yīng)條件苛刻，易腐蝕設(shè)備堿處理法木質(zhì)素被大量降解不能打破木質(zhì)纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，酶解時間長離子液體處理法纖維素的結(jié)晶度顯著降低，反應(yīng)條件溫和，綠色環(huán)保規(guī)?；糯蟮男屎统杀静幻鞔_綜上所述，在現(xiàn)存的所有的預(yù)處理方法中，酸處理是當(dāng)前，較為經(jīng)濟節(jié)省成本的，化學(xué)預(yù)處理纖維素的方法，但是它的缺點是蝕性強會對不同設(shè)備造成不同程度的腐蝕，它也有污染性，另外對酸的回收過程也是非常困難的。堿處理方法所要求條件較溫和，它的優(yōu)勢就是：讓纖維素結(jié)晶度降低，木質(zhì)素得到消除，且會使半纖維素、木質(zhì)素之間的內(nèi)在交聯(lián)遭到破壞等優(yōu)勢，但是所需預(yù)處理時間長，同時，還存在的問題是，試劑的回收、試劑的中和以及試劑的洗滌成本太高等。若想提高玉米秸稈厭氧消化的產(chǎn)業(yè)化效能，需要對秸稈的預(yù)處理工藝進行進一步優(yōu)化，并對秸稈行深入探討為開發(fā)更高效的預(yù)處理工藝提供理論依據(jù)，從而可進一步提高秸稈的酶解糖產(chǎn)率。所以，最好的方式是離子液體預(yù)處理，用離子液體進行預(yù)處理能克服酸堿預(yù)處理所存在的大部分缺點，而且經(jīng)離子液體預(yù)處理后的玉米秸稈在后續(xù)的反應(yīng)中效果非常好，且對設(shè)備條件要求不高，而且最重要的是它具有可回收循環(huán)利用，對環(huán)境污染小等眾多優(yōu)點。因此，在纖維素的預(yù)處理進程中，使用離子液體預(yù)處理法，具有很廣闊的利用潛能，并逐漸成為現(xiàn)在研究的熱點，本課題中也將采用其他預(yù)處理方式輔助離子液體對玉米秸稈進行預(yù)處理。參考文獻[1]曲騰云于偉東.纖維素纖維的生物降解性能[J].紡織學(xué)報.2015,11(36):20-26[2]張歡，武崇輝，梁海.黑曲霉AS0006預(yù)處理玉米秸稈產(chǎn)沼氣研究[J].可再生能源，2019，37（5）：645-649.[3]孟穎，李秀金，王利平，等.氨化預(yù)處理玉米秸稈與餐廚垃圾混合兩相厭氧消化性能研究[J].可再生能源，2014，32（9）：1365-1370.[4]羅娟，劉春梅，袁海榮，等.KOH/NH3·HO復(fù)合預(yù)處理稻草厭氧消化優(yōu)化研究[J].中國沼氣，2019，37（1）：48-53.[5]吳南南，蔣麗群，鄭安慶，等.離子液體預(yù)處理對甘蔗渣快速熱解產(chǎn)物的影響[J].可再生能源，2017，35（4）：495-501.[6]劉春梅，余江南，黃振興，等.離子交換樹脂在厭氧己酸發(fā)酵過程中的應(yīng)用[J].基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué).2019,38(10):4564-4571.[7]玉米秸稈纖維增強仿生制動摩擦材料制備及其關(guān)鍵技術(shù)研究_吳思陽_1_5[J].[8]WangK,YinJ,ShenD,etal.Anaerobicdigestionoffoodwasteforvolatilefattyacids(VFAs)productionwithdifferenttypesofinoculum:effectofpH.[J].BioresourceTechnology,2014,161(6):395-401.[9]RoghairM,HoogstadT,StrikDPBTB,etal.ControllingethanoluseinchainelongationbyCO2loadingrate[J].EnvironmentalScience&Technology,2018,52,1496-1505.[10]WangZhinan,HouXianfeng,SunJinLi,MengChen,etal.Comparisonofultrasound-assistedionicliquidandalkalinepretreatmentofEucalyptusforenhancingenzymaticsaccharification[J].BioresourceTechnology,2018,254,145-150.[11]張麗媛,姚笛,阮長青等.玉米秸稈新型飲料研制[J].農(nóng)產(chǎn)品加工,2018(18):16-18.[12]HouXianfeng,WangZhinan,SunJin,etal.Amicrowave-assistedaqueousionicliquidpretreatmenttoenhanceenzymatichydrolysisofEucalyptusanditsmechanism[J].BioresourceTechnology.2019,272,99-104.[13]Yadav,Neerja.Nain,Lata.Khare,SunilK.One-potproductionoflacticacidfromricestraw