丙酸预处理秸秆的化学降解_杨晓瑞
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山西农业科学 2023,51(12):1426-1434Journal of Shanxi Agricultural SciencesCFS 预处理对不同秸秆原料酶解和理化结构的影响田鑫,王雨萌,徐师苗,汪强杰,胡轲,张海波,程红艳(山西农业大学 资源环境学院,山西 太谷 030801)摘要:高铁酸钾复合液(CFS )是制备高铁酸钾的剩余滤液,其含有大量碱(OH -)和氧化剂(ClO -和Fe 6+),具有破坏木质纤维素顽固结构、提升酶解效率的潜力。
为实现秸秆的资源化利用与高铁酸钾制备废液的再利用,以山西储量丰富的玉米秸秆(CS )、高粱秸秆(SS )和谷子秸秆(MS )为原料,采用CFS 进行预处理,对比3种秸秆的酶解糖化率,分析秸秆的理化结构变化。
结果表明,CFS 预处理中碱和氧化剂共同参与了3种秸秆的降解,促进了酶解糖化率;在最佳预处理时间24 h 下,CS 、SS 和MS 的还原糖产量分别较对照提高252.77%、236.39%、216.66%,其中CS 的酶解效率最高;组分分析表明,CFS 处理能有效去除3种秸秆中木质素成分,增加纤维素相对含量,进而有利于纤维素酶的可及性;结构分析显示,CFS 处理后,3种秸秆的理化结构发生了不同程度变化,粗糙度增加,官能团发生断裂,纤维结晶度升高,热稳定性变差。
在3种秸秆中,CS 结构变化最明显,更有利于被生物转化。
综上,CFS 预处理可改变作物秸秆的理化结构,破坏其致密结构,促进后续酶解效率,是一种理想的预处理技术。
关键词:高铁酸钾复合液(CFS );预处理;作物秸秆;还原糖产量;理化结构中图分类号:S141.4 文献标识码:A 文章编号:1002‒2481(2023)12‒1426‒09Effects of CFS Pretreatment on Enzymatic Hydrolysis and PhysicochemicalStructure of Different Straw MaterialsTIAN Xin ,WANG Yumeng ,XU Shimiao ,WANG Qiangjie ,HU Ke ,ZHANG Haibo ,CHENG Hongyan(College of Resources and Environment ,Shanxi Agricultural University ,Taigu 030801,China )Abstract : Composite ferrate solution(CFS) is the residual filtrate for preparing potassium ferrate. It contains a lot of alkali (OH -) and oxidant(ClO - and Fe 6+), which has the potential to destroy the recalcitrant structure of lignocellulose and improve the efficiency of enzymatic hydrolysis. In order to realize the utilization of straw resources and reuse of preparation waste liquid of potassium ferrate, in this paper, corn straw(CS), sorghum straw(SS), and millet straw(MS), which are abundant in Shanxi province, were pretreated with CFS, the enzymolysis and saccharification rates of the three kinds of straw were compared, and the change of physicochemical structure of the straw was analyzed. The results showed that the alkali and oxidant in the pretreatment of CFS were involved in the degradation of three kinds of straw, which promoted the enzymatic hydrolysis rate and saccharification rate. Under the optimal pretreatment time of 24 h, the reducing sugar yield of CS, SS, and MS was increased by 252.77%, 236.39%, and 216.66% compared with that of the control, respectively, and the enzymatic hydrolysis efficiency of CS was the highest. Component analysis showed that CFS treatment could effectively remove lignin in three kinds of straw and increase the relative content of cellulose, which was beneficial to the accessibility of cellulase. Structural analysis showed that after CFS treatment, the physicochemical structure of the three kinds of straw changed in different degrees, roughness increased, functional group fractured, fiber crystallinity increased, and thermal stability decreased. Among the three kinds of straw, CS had the most obvious structural change and was more conducive to biotransformation. In conclusion, CFS pretreatment could change the physicochemical structure of crop straws, destroy the dense structure and promote the efficiency of subsequent enzymatic hydrolysis, so it was an ideal pretreatment technology.Key words :composite ferrate solution(CFS); pretreatment; crop straw; reducing sugar yield; physicochemical structuredoidoi:10.3969/j.issn.1002-2481.2023.12.11收稿日期:2023-01-04基金项目:山西省高等学校科技创新项目(2020L0137);山西农业大学科技创新基金项目 (2018YJ39);山西省优秀博士来晋工作奖励基金(SXYBKY201803);国家自然科学基金(52100149);山西省水利科学技术研究与推广项目(2022GM034)作者简介:田 鑫(1997-),女,山西汾阳人,在读硕士,研究方向:农业环境保护与废弃物资源化利用。
玉米秸秆稀酸预处理条件对糠醛类抑制物产生的影响张莎莎;张坤;陈晓晓;王晓俊;左小明;薛冬桦【摘要】To explore the factors that affect the generation of furfural inhibitor during the process,corn stover was pretreated using diluted sulfuric acid.The correlation between pretreatment conditions and re-ducing sugar and furfural was analysed by partial correlation.The analysis showed that the main factor af-fecting furfural generation was the concentration of the sulfuric acid.There was a positive correlation be-tween the concentration of furfural and sulfuric acid.Pretreatment temperature and time were associated with the furfural concentration significantly;however the solid liquid ratio was not associated with the generation of furfural.The results showed that the optimal results were achieved by usi ng 1% sulfuric acid to pretreat the corn stover at 120 ℃ for 90 minutes and ratio of solid to liquid 1∶10,as results,the furfural concentration was measured as 0.99 mg/mL with reducing sugar at 27.6mg/mL.%以玉米秸秆为原料,探讨稀硫酸预处理玉米秸秆过程中影响糠醛类抑制物产生的因素,运用偏相关性分析法分析不同预处理条件与还原糖、糠醛的相关性。
第34卷第16期农业工程学报V ol.34 No.16184 2018年8月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug. 2018 复合微生物预处理玉米秸秆提高其厌氧消化产甲烷性能黄开明,赵立欣※,冯晶,姚宗路,于佳动,罗娟(农业农村部规划设计研究院,农业农村部农业废弃物能源化利用重点试验室,北京 100125)摘要:为促进微生物预处理方法在提高玉米秸秆高效厌氧消化产甲烷方面的应用效果,该文研究了由黑曲霉(Aspergillus)、木霉(Trichoderma)、草酸青霉(Penicillium)和白腐真菌组成的复合微生物菌系HK-4,对玉米秸秆预处理及厌氧消化产气性能的影响。
将复合微生物菌系加入到粒径为0.7~1 cm玉米秸秆中,在28 ℃恒温条件下190 r/min 震荡培养15 d,测得纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别可达64.52%、51.06%和3.89%。
使用经HK-4处理过的玉米秸秆,用于沼气生产,发酵32 d,复合微生物菌系组共产生7364 mL气体,比未处理组提高了27.4%;预处理4 d,复合微生物处理组甲烷体积分数即可提升到40%以上,之后20 d在45%~53%之间波动,而未经HK-4处理过的玉米秸秆,甲烷体积分数在第6天才稳定到36.7%。
关键词:秸秆;沼气;甲烷;复合微生物菌系;产气潜力doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.024中图分类号: X712;TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2018)-16-0184-06黄开明,赵立欣,冯晶,姚宗路,于佳动,罗娟. 复合微生物预处理玉米秸秆提高其厌氧消化产甲烷性能[J]. 农业工程学报,2018,34(16):184-189. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.024 Huang Kaiming, Zhao Lixin, Feng Jing, Yao Zonglu, Yu Jiadong, Luo Juan. Pretreatment of corn stalk by composite microbial strain improving its methane production performance by anaerobic digestion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 184-189. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.16.024 0 引 言中国是农业大国,农作物秸秆资源丰富、种类多样。
秸秆的化学预处理技术与微生物降解条件探索的开题报告1. 题目秸秆的化学预处理技术与微生物降解条件探索2. 研究背景随着社会的发展,农业生产与农村经济的发展中产生的秸秆越来越多,这些秸秆如果不得到有效利用将会给环境带来严重污染。
因此,研究秸秆的高效利用成为了当前的一个热点领域。
其中,秸秆的化学预处理技术和微生物降解条件成为了该领域的重要研究方向。
化学预处理技术是指在秸秆进行生物分解前,通过一系列的化学反应使其在结构上发生改变,增加其易于微生物降解的程度。
目前,生物质的化学预处理技术主要包括物理法、化学法和生物法三种。
其中,化学法对生物质的改性效果最为显著。
微生物降解是指利用微生物的生物学反应将秸秆转化为高降解性的有机物,从而实现生物能源产生。
在微生物降解秸秆的过程中,需要考虑到微生物的种类和环境条件等因素。
3. 研究目的和意义本研究的目的是探索秸秆的化学预处理技术与微生物降解条件,以实现秸秆的高效利用。
具体来说,本研究的主要目标包括:1. 研究不同化学预处理技术对秸秆结构和生物降解性的影响,确定最佳预处理条件。
2. 研究不同微生物对秸秆的降解效果,筛选出适合秸秆降解的微生物菌种。
3. 探索最适合微生物生长和秸秆降解的环境条件,包括温度、pH值、有机物浓度等。
4. 建立秸秆的高效降解模式,为生物质能源的开发提供技术支持。
研究的意义在于推动秸秆的高效利用和资源化,减少农业生产和农村环境的污染,为可持续农业和可持续发展做出贡献。
4. 研究方法和步骤本研究采用实验室试验和数学模型的相结合的方式进行。
1. 实验室试验。
在实验室中,通过对不同化学预处理技术的对比试验,确定最佳预处理条件;通过对不同微生物的试验,筛选出适合秸秆降解的微生物菌种;通过对微生物降解秸秆的试验,确定最适合微生物生长和秸秆降解的环境条件。
2. 数学模型。
在研究过程中,建立物质平衡和动态平衡方程,利用数学模型对降解反应进行描述和预测。
具体步骤:1. 收集秸秆样品,对样品进行分析,确定其基本性质。
温和湿热条件下碱预处理对玉米秸秆厌氧发酵的影响引言1.1 碱预处理条件的确定本研究选取氢氧化钠(NaOH)作为预处理剂,通过对不同浓度的NaOH溶液和不同处理时间的预处理条件进行实验,确定了最佳的碱预处理条件。
实验结果表明,在50℃的温度下,以2%的NaOH溶液进行处理30分钟,能够使玉米秸秆的纤维素和半纤维素的结晶度显著下降,同时不会对生物质造成过多的损伤。
1.2 碱预处理对玉米秸秆结构的影响通过扫描电镜和透射电镜的观察,可以发现经过碱预处理后的玉米秸秆表面更加平滑,孔隙结构更加开放,有利于酶的进一步降解。
X射线衍射分析结果显示经过碱预处理后的玉米秸秆的结晶度明显下降,纤维素和半纤维素的结构发生了明显的变化,更易于酶的作用。
可以得出结论,碱预处理能够有效地改变玉米秸秆的结构,提高其降解利用的效率。
在温和湿热条件下,对经过碱预处理和未经处理的玉米秸秆进行厌氧发酵实验,结果显示经过碱预处理的玉米秸秆在厌氧发酵过程中产气量明显提高,发酵效果明显优于未经处理的生物质。
这是因为碱预处理使得玉米秸秆的纤维素和半纤维素更易于酶解,降解产气的速度加快,发酵效率得到提高。
通过对厌氧发酵过程中乙醇产量的检测,发现经过碱预处理的玉米秸秆在厌氧发酵过程中产酒精的数量明显增加,说明碱预处理能够促进玉米秸秆的碳水化合物向乙醇的转化过程,提高了生物质的能源利用率。
在厌氧发酵过程中产生的有机酸是影响发酵效果的重要指标之一,实验结果显示,经过碱预处理的玉米秸秆在厌氧发酵过程中产酸的数量明显降低,发酵过程更加稳定。
这说明碱预处理能够减少发酵过程中的副产物,提高发酵的效率和稳定性。
结论温和湿热条件下碱预处理能够有效地改变玉米秸秆的结构,提高其降解利用的效率,促进了其在厌氧发酵过程中产气、产酒精的效果,降低了产酸的数量,提高了发酵的稳定性。
温和湿热条件下碱预处理是一种有效的生物质能源预处理方法,具有较高的应用潜力。
随着对生物质能源的需求不断增加,生物质能源的开发利用已成为当前的研究热点。
稻草秸秆的预处理方法研究进展
杨晓瑞;孙姚瑶;马艺鸣;梁金花;朱建良
【期刊名称】《粮食与油脂》
【年(卷),期】2022(35)8
【摘要】详细综述了常用的几种稻草秸秆预处理方法,包括物理、化学和生物法等,并对其优缺点进行了分析和对比,对秸秆预处理的发展趋势进行了展望,为秸秆的综合利用提供了参考。
【总页数】5页(P16-19)
【作者】杨晓瑞;孙姚瑶;马艺鸣;梁金花;朱建良
【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TS201.1
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