玉米秸秆瞬间蒸汽爆破预处理的回归优化和结构分析

蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的技术经济分析随着全球对可持续能源的需求不断增长，秸秆厌氧发酵作为一种绿色能源技术，受到了越来越多的关注和发展。

然而，秸秆作为一种难以降解的生物质，其直接利用效率较低，需要进行预处理以增加厌氧发酵的产气率和稳定性。

蒸汽爆破预处理技术是一种广泛应用于生物质处理的方法，具有高效性、环保性等优势。

本文将从技术和经济两个方面对蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵的可行性进行分析。

一、蒸汽爆破预处理技术的原理和优势蒸汽爆破预处理技术是利用高温高压蒸汽对生物质进行处理，使得其纤维素和半纤维素分解产生出易于厌氧发酵的可溶性有机物。

该技术具有以下优势：1、高效性。

蒸汽处理能够在短时间内使得秸秆中的纤维素和半纤维素分解产生大量的可溶性有机物，提高了发酵的产气率和稳定性。

2、环保性。

该技术不需要使用化学药剂，不会产生污染物，对环境无害。

3、适用性强。

蒸汽处理适用于各种类型的生物质，同时可以对不同种类的生物质进行不同的处理方案，以达到最佳处理效果。

二、蒸汽爆破预处理技术在秸秆厌氧发酵中的应用蒸汽爆破预处理技术已经被广泛应用于秸秆厌氧发酵中。

其处理流程主要包括将秸秆经过机械粉碎后加入蒸汽处理器中，在高温高压的蒸汽环境下进行处理，处理后得到的秸秆被送入厌氧反应器进行发酵。

该处理流程具有高效性、环保性、稳定性等优势，可以大幅度提高秸秆的发酵效率和产气率。

另外，蒸汽爆破预处理技术还可以与其他预处理技术如碱处理、酸处理等结合使用，以达到更好的处理效果。

比如，在秸秆厌氧发酵中，将蒸汽处理和酸处理结合使用，可以在短时间内大幅度提高发酵的产气率和稳定性，进一步增加该技术在生物质处理中的应用范围。

三、蒸汽爆破预处理技术在秸秆厌氧发酵中的经济效益从经济效益方面考虑，秸秆厌氧发酵技术的应用可以减少能源的消耗，降低碳排放量，提高发酵产物的附加值。

同时，将蒸汽爆破预处理技术应用于秸秆厌氧发酵中，可以进一步提高发酵产气率和稳定性，降低发酵成本，进一步增加产生的经济效益。

DOI :10.11895/j.issn.0253⁃3820.171238不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析史旭洋1　钱程2　刘艳1　刘心同1　尚鑫1　刘硕2刘禹廷2　于藴波2　张军2　任晓冬*11(吉林大学生命科学学院,长春130012) 2(吉林省公安厅物证鉴定中心,长春130000)摘　要　在利用秸秆进行工业转化时,因为秸秆结构复杂,导致转化效率低,所以需对秸秆进行预处理,破坏秸秆复杂结构,提高转化效率㊂采用扫描电镜(SEM)㊁傅里叶变换红外光谱(FT⁃IR)和X 射线衍射技术分析不同预处理方式对玉米秸秆微观结构的影响,并利用纤维素酶对不同预处理秸秆进行酶解,评价预处理效果㊂扫描电镜结果表明,不同预处理方式对秸秆表面形态和秸秆整体结构造成不同程度的破坏,其中NaOH 预处理后的秸秆表面结构坍塌明显,表明木质纤维素结构被有效打破㊂利用傅里叶变换红外光谱对不同预处理方式的秸秆进行分析,其中1600和1510cm -1为木质素的特征峰,NaOH 预处理后的秸秆在此处的特征峰基本消失,表明NaOH 预处理对秸秆木质素的去除效率比较明显㊂1744~1734cm -1为=C O 伸缩振动特征峰,此峰的强度与木质素和半纤维素的含量有关,采用不同方法预处理后,此峰的吸收强度不同程度地减少,表明各种预处理方法不同程度地去除了秸秆的木质素和半纤维素㊂X⁃射线衍射分析表明,不同预处理后秸秆的结晶度均发生不同程度的改变,其中H 2SO 4预处理后秸秆的结晶度提高最大,达到43.4%㊂其中NaOH 预处理秸秆后,用纤维素酶酶解60h,使其酶解产糖量达到33.32g /L㊂本研究分析了不同秸秆预处理方法的效果,为利用玉米秸秆生产生物化工产品提供了理论依据㊂关键词　秸秆;扫描电镜;傅里叶变换红外光谱;X 射线衍射;预处理;酶解　2017⁃09⁃08收稿;2018⁃07⁃14接受本文系公安部应用创新计划项目(No.2017YYCXJLST020)资助*E⁃mail:renxiaodong@1　引言木质纤维素是自然界上最丰富的自然资源,利用木质纤维素可以生产多种生物化工产品㊂目前,农业废弃物秸秆㊁麦秆等的处理成为影响环境和生态的重大问题㊂通过生物炼制的手段将秸秆㊁麦秆等木质纤维素制成生物化工产品,是秸秆高效转化的重要途径[1]㊂利用木质纤维素进行生物炼制,首先需要对木质纤维素进行糖化,将木质纤维素转化为葡萄糖等单糖后,再通过发酵将葡萄糖转化成生物化工产品[2]㊂木质纤维素主要由纤维素㊁半纤维素和木质素3种成分组成,其中半纤维素和木质素相互缠绕,将纤维素包裹起来形成一种相互缠绕的结构,这种复杂的空间结构使木质纤维素可以有效抵抗外部环境㊂在进行生物炼制时,这种特性使得纤维素酶降解纤维素的效率降低[3]㊂因此,在利用木质纤维素时,需要对其进行预处理,打开纤维素㊁半纤维素和木质素相互缠绕的结构,以提高纤维素酶的水解效率㊂目前,工业上使用的预处理方法主要有H 2SO 4㊁NaOH㊁CaO 和H 2O 2处理等方法[4]㊂其中H 2SO 4等稀酸溶液在预处理过程中主要是破坏秸秆中的半纤维素成分,通过溶解部分半纤维素,从而打开秸秆本身纤维素㊁半纤维素和木质素相互缠绕的结构;NaOH㊁CaO 和H 2O 2等碱性溶液主要是破坏秸秆中木质素成分,从而破坏秸秆原有的结构㊂本研究采用不同方法对玉米秸秆进行预处理,分别用扫描电镜㊁傅里叶变换红外光谱和X⁃射线衍射对预处理的秸秆进行分析,探讨了不同的预处理方式对秸秆结构的影响㊂对不同方式预处理的秸秆进行了纤维素酶酶解效率评价,为利用玉米秸秆生产生物化工产品提供了理论依据㊂第46卷2018年9月 分析化学(FENXI HUAXUE)　研究报告Chinese Journal of Analytical Chemistry 第9期1501~15062051 分析化学第46卷2　实验部分2.1　仪器与试剂1200Series高效液相色谱仪(德国安捷伦公司);FEI Quanta200扫描电镜(荷兰FEI公司); Shimadzu IRPrestige⁃21傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津公司);Bruker D8晶体衍射仪(XRD,德国布鲁克公司);HZ⁃8802S水浴恒温振荡器(上海智诚公司);722E型可见分光光度计(上海光谱公司);标准品均购于自Sigma⁃Aldrich公司;H2SO4㊁NaOH㊁CaO和H2O2等试剂均为优级纯;实验用水为去离子水㊂玉米秸秆为吉林省种植的玉米的秸秆㊂2.2　秸秆的预处理秸秆的预处理参照文献[4]的方法㊂向500mL摇瓶中加入30g玉米秸秆,分别加入60mL10% (m/V)H2SO4㊁60mL10%(m/V)NaOH或12g CaO,加水至总体积为300mL,使H2SO4㊁NaOH或CaO 的终浓度分别为2%㊁2%和4%㊂用封口膜封口,121℃反应1h;另向500mL摇瓶中加入30g秸秆,之后加入20mL30%H2O2,加水至总体积为300mL,即H2O2的终浓度为2%,用5mol/L NaOH调节至pH11.5,然后在65℃水浴摇床中摇振3h㊂在500mL摇瓶中加入30g秸秆,加水至总体积为300mL,煮沸1h㊂待上述各反应体系温度降至室温后,用八层纱布过滤预处理液,用去离子水冲洗处理后的秸秆,室温晾干后,-20℃保存,备用㊂2.3　成分分析玉米秸秆中纤维素㊁半纤维素和木质素的含量按美国能源部可再生能源实验室(NREL)的方法测定[5]㊂2.4　电镜观察取少量预处理后的样品,分别烘干㊁粉碎㊁过筛,用导电双面胶带固定在样品台上,在真空环境下进行镀金处理,物料表面形成一层导电膜后,用扫描电子显微镜(SEM)进行观察㊂2.5　傅里叶变换红外光谱(FT⁃IR)分析取预处理后的样品,以1∶100比例同KBr混匀后,在玛瑙研钵中研磨至200~300目粉末,于红外压片机上制成透明薄片,利用傅里叶变换红外光谱仪进行测试,波数扫描范围为4000~400cm-1,分辨率为4cm-1,单一样品共进行32次累加㊂2.6　X⁃射线衍射分析取预处理后的样品,用Bruker D8晶体衍射仪进行纤维素的结晶度分析㊂其中,扫描范围10°~50°(2θ),扫描速度2°/min,扫描电压30kV,扫描电流30mA㊂样品的结晶度(CrI)采用公式(1)计算:CrI(%)=[(I002-I am)/I002]×100(1)式中,I002为002晶格衍射角的峰值,即结晶区的衍射强度;I am为无定形区域衍射强度峰值㊂2.7　纤维素酶酶解反应取含1.2g纤维素的上述预处理秸秆,加入pH5.0的50mmol/L柠檬酸缓冲液和15FPU/(g纤维素)的纤维素酶,补加水至40mL㊂置于水浴摇床上,50℃以130r/min酶解72h,每12h取样一次,离心,取上清液㊂利用高效液相色谱仪,采用伯乐Aminex HPX⁃87H柱测定葡萄糖浓度㊂高效液相色谱条件为:柱温65℃,用0.005mol/L H2SO4以0.6mL/min的流速洗脱㊂3　结果与讨论3.1　不同预处理方式对秸秆成分的影响秸秆中纤维素㊁半纤维素和木质素三者之间复杂的结构关系,严重阻碍了纤维素酶对纤维素的可及性,从而降低了纤维素酶水解产率㊂因此,需要采用化学和物理方法对秸秆进行预处理,尽可能除去秸秆中的木质素和半纤维素,打破秸秆原有的结构,从而提升酶解效率[6]㊂采用不同方式预处理的秸秆成分如表1所示㊂经过不同方式预处理后,秸秆的纤维素含量均上升,而木质素含量均下降㊂H2SO4预处理后秸秆的纤维素含量最高,达59.8%,木质素含量为16.8%㊂NaOH 预处理后,纤维素含量为52.1%,木质素含量仅为8.3%㊂CaO 和碱性H 2O 2处理后,纤维素含量分别为41.5%和49.9%,木质素含量分别为14.7%和13.0%㊂相比于其它预处理方法,H 2SO 4预处理后,半纤维素含量下降最大表1　采用不同方式预处理后秸秆的成分分析Table 1　Composition of corn stover pretreated with different methods 预处理方法Pretreatment method 纤维素Cellulose (%)半纤维素Hemicellulose (%)木质素Lignin (%)H 2SO 459.822.616.8NaOH 52.130.28.3CaO 41.532.614.7H 2O 249.929.113.0热水Hot water 38.730.818.8未处理Untreated 35.835.319.1(22.6%),表明H 2SO 4预处理可有效去除半纤维素㊂热水预处理后,秸秆成分变化不明显㊂在所有预处理方式中,NaOH 去除木质素效果最好㊂在利用纤维素酶水解秸秆时,木质素会吸附纤维素酶,从而降低纤维素酶对纤维素的有效降解㊂通过预处理去除木质素,有利于提高纤维素酶对纤维素的降解效率㊂3.2　电镜分析利用扫描电镜观察到预处理后秸秆表面结构和形貌的变化,如图1F 所示,未处理的秸秆表面被蜡质成分紧密包裹,十分光滑㊂稀H 2SO 4处理后(图1A),秸秆整齐㊁紧密的长管结构被打乱和切断,这是由于秸秆中的大部分半纤维素被稀酸水解[7],秸秆的部分结构被破坏所致㊂NaOH 处理后的秸秆如图1B 所示,由于NaOH 溶解后,很多木质素被去除[8],秸秆表面变得粗糙不平,而且表面结构有大片明显塌陷,部分纤维素被剥离,呈片状结构㊂图1C 为碱性H 2O 2预处理后的秸秆,可以看出,由于部分木质素的去除,出现很多的 碎片”㊂图1D 为CaO 预处理后的秸秆,相比NaOH 处理和碱性H 2O 2处理,CaO 处理对木质纤维素结构的改变不明显,因为木质素脱除效果不佳,秸秆表面结构未出现明显的坍塌情况㊂图1E 为热水处理后的秸秆结构图,秸秆表面出现凹形小孔,而秸秆的长管结构未被切断,表面也没有出现大片的明显塌陷㊂100滋m A 10滋m B 10滋m C 100滋m D 10滋m E 10滋mF图1　不同方法预处理后秸秆的电镜图:(A)H 2SO 4预处理后的秸秆;(B)NaOH 预处理;(C)碱性H 2O 2预处理后;(D)CaO 预处理后的秸秆;(E)热水处理;(F)未处理的秸秆Fig.1　Scanning electron microscopy (SEM)images of corn stove pretreated with (A)H 2SO 4;(B)NaOH;(C)H 2O 2;(D)CaO;(E)hot water;(F)SEM image of untreated corn stover 3.3　傅里叶变换红外光谱分析结果利用傅里叶变换红外光谱对不同预处理的秸秆进行分析,结果如图2所示㊂预处理和未处理秸秆红外吸收峰的主要差异在于某些特征峰的增强㊁减弱或者消失,这表明采用不同预处理方法后,秸秆各成分的分子结构㊁空间结构或排列发生了变化㊂3300~3500cm -1的红外吸收为分子间缔合态羟基OH 和酚羟基伸缩振动谱带㊂如图2所示,在3300~3500cm -1,经过NaOH 和碱性H 2O 2预处理后,振动谱带明显减弱,说明碱处理能够打破纤维素分子间的氢键㊂而氢键的破坏能够使秸秆的纤维素结构发生变化,纤维素酶的可及度增加,有利于纤维素的降解[9]㊂2910cm -1处的峰为CH 3㊁CH 2伸缩振动吸收峰,相比于对照组,预处理后的样品其吸收峰减弱,表明预处理后部分碳链遭到破坏[4]㊂1744~1734cm -1处的峰表示非共轭的酮和酯中的3051第9期史旭洋等:不同方法预处理的玉米秸秆结构与酶解分析 0.6Wavenumber （cm -1）A b s o r b a n c e 0.80.70.50.40.30.20.10.01002003004000H 2SO 4pretreatment NaOH pretreatment CaO pretreatment H 2O 2pretreatment Hot water pretreatment Raw material 5015025003500图2　不同预处理方式秸秆的傅里叶变换红外光谱图Fig.2　Fourier transform⁃infrared (FT⁃IR)spectra ofcorn stover pretreated with different methods =C O 伸缩振动,=C O 的伸缩振动与秸秆中的木质素和半纤维素有关[10]㊂未处理的秸秆此吸收峰较为明显,而经过酸或碱处理后,吸收峰的强度都不同程度地下降,其中经过NaOH 预处理后,吸收峰已基本消失,表明NaOH 对木质素的去除效果较好㊂碱性H 2O 2和CaO 处理后的秸秆,在此波数处吸收峰强度也下降,但不及NaOH 预处理后吸收峰强度变化明显㊂H 2SO 4预处理后的秸秆在此波数处的吸收峰强度减弱,但特征峰仍明显存在㊂经过预热水处理后的秸秆,1744~1734cm -1处特征峰的强度基本未变,表明热水预处理不能去除木质素或半纤维素㊂1600和1510cm -1处为木质素的特征峰,NaOH 处理的秸秆在此处的特征峰基本消失,说明经过强碱处理后的秸秆,木质素结构被较大破坏,木质素成分已经基本去除㊂碱性H 2O 2和CaO 处理后的秸秆,此特征峰的强度明显下降,表明碱对木质素的去除效果明显,但不及NaOH 强烈㊂H 2SO 4和热水处理后的秸秆与未处理秸秆相比,在此处的吸收峰强度没有明显改变,表明H 2SO 4和热水不能有效去除木质素㊂1431和1164cm -1处的吸收峰为纤维素的特征峰,在不同预处理前后变化不大,表明纤维素结构在预处理前后变化不大㊂3.4　X⁃射线衍射分析结果纤维素中存在结晶区和无定形两种区域,结晶区占纤维素整体的百分率称为纤维素的结晶度㊂纤维素的结晶度是衡量纤维素性能的重要指标,反映纤维素聚集时形成结晶的程度[11]㊂利用XRD 技术分析预处理后的秸秆,比较预处理前后秸秆结晶度变化,考察各种预处理方法的效果㊂经过不同的预处理后,由于秸秆中一些成分去除,秸秆结构发生改变,结晶度也发生改变㊂如表2所示,NaOH㊁碱性H 2O 2和CaO 这3种碱性方式预处理秸秆后,秸秆的结晶度分别为40.5%㊁35.4%和14.2%㊂其中,NaOH 处理的秸秆结晶度上升幅度最大㊂NaOH 处理秸秆后,由于半纤维素和木质素这两种无定形区组分的溶出,使得纤维素含量增加,从而使整体结晶度大大提高[12]㊂而碱性H 2O 2和CaO 的碱性比NaOH 低,因此预处理后秸秆结晶度提升不大㊂H 2SO 4预处理秸秆后会引起纤维素基质的部分重结晶,因此秸表2　不同预处理后秸秆的结晶度Table 2　Crystalline of corn stover pretreated with different methods 预处理方法Pretreatment method 结晶度Crystalline (%)1H 2SO 443.42NaOH 40.53CaO 14.24H 2O 235.45热水Hot water25.46未处理Untreated 22.3秆的结晶度得到明显提升[13]㊂由表2可见,H 2SO 4预处理后秸秆的结晶度最高(43.4%),结晶度的增加可能是由于H 2SO 4去除了部分木质素和较多的半纤维素成分(表1),使秸秆纤维结构发生重排,有序度增加,形成比较完整的结晶晶格,因此结晶度提高㊂热水预处理后秸秆的结晶度变化不明显(25.4%),表明热水预处理对秸秆的结构改变很小,其结晶度未发生明显改变㊂3.5　纤维素酶酶解分析在利用秸秆进行生物化工产品生产的过程中,需将秸秆进行酶解,这是秸秆利用的基础;为了提高秸秆的酶解效率,需要采用不同的预处理方法对秸秆进行处理,从而打开秸秆本身的结构㊂本研究以不同方式预处理的秸秆为底物,用纤维素酶进行酶解,评价预处理效果㊂酶解结果如图3所示,不同方式预处理的秸秆酶解效果差异较大㊂以未处理的秸秆为底物酶解,葡萄糖产量在60h 达到最高,浓度达到11.95g /L,而预处理秸秆酶解后葡萄糖产量都比未预处理秸秆高㊂其中NaOH 预处理秸秆所产生的葡萄糖在60h 时达到最大浓度(33.32g /L),明显高于其它预处理方式㊂NaOH 预处理后秸秆表面结构有明显坍塌(图1),能够增加酶与底物接触面积㊂红外光谱分析表明,NaOH 预处理后,木质素得到有4051 分析化学第46卷3012t （h ）C g m c o s e (g /L )03525201510502436486072NaOH H 2SO 4H 2O 2CaO Hot water Untreated 40图3　不同方法预处理后的秸秆的纤维素酶降解结果Fig.3　Enzymatic hydrolysis of pretreated corn stovers hydrolyzed with cellulase效消除,有利于纤维素酶吸附到纤维素上,使得NaOH 预处理后秸秆的酶解产糖量达到最大㊂H 2O 2预处理的秸秆酶解60h 时,产糖量最高(24.49g /L)㊂CaO 处理的秸秆酶解后在60h 时,产糖量最高达15.88g /L㊂电镜和红外光谱分析结果表明,碱性H 2O 2和CaO 预处理与NaOH 预处理结果相似,都是通过不同程度地溶解木质素,增加纤维素和纤维素酶的可及度,从而增加酶解产糖量㊂由于碱性H 2O 2和CaO 碱性较弱,对木质素的溶解作用不强,因此酶解效果比NaOH 预处理差㊂H 2SO 4预处理秸秆后,酶解产葡萄糖量在60h 时达到最大值(21.21g /L),与未处理秸秆相比,糖化效果明显提升㊂电镜分析表明,H 2SO 4处理后的秸秆表面出现明显塌陷,有利于纤维素酶附着㊂红外光谱分析表明,半纤维素和木质素等成分被去除,有利于纤维素酶作用于纤维素㊂热水预处理秸秆酶解后产糖量在60h 时达到最大值(13.13g /L),相比于未处理秸秆,产糖量略有提升㊂从图1可见,热水预处理秸秆结构基本未发生变化;秸秆的红外光谱分析结果同样表明,热水预处理后,木质素和半纤维素等特征峰的强度均没有明显的改变,即秸秆的结构未明显改变,糖化产糖效率较低㊂4　结论采用不同方式预处理秸秆,利用扫描电镜㊁红外光谱和X⁃射线衍射对不同方式预处理后的秸秆微观结构进行了分析,考察了不同的预处理方式对秸秆结构的影响㊂通过纤维素酶酶解预处理后的秸秆,对预处理秸秆效果进行了评价㊂本研究通过分析比较不同的方式预处理的秸秆,评价酶解效果,为利用秸秆高效生产生物化工产品提供了依据㊂References 1　Sarks C,Jin M,Sato T K,Balan V,Dale B E.Biotechnol.Biofuels ,2014,7:732　Saha B C,Cotta M A.New Biotechnol.,2010,27(1):10-163　Papa G,Rodriguez S,George A,Schievano A,Orzi V,Sale K L,Singh S,Adani F,Simmons B A.Bioresource Technol.,2015,183:101-1104　Cao W,Sun,Liu R H,Yin R Z,Wu X W.Bioresource Technol.,2012,111:215-2215　Sluiter A,Hames B,Scarlata C.United States:National Renewable Energy Laboratory Golden,20076　Brownell H H,Saddler J N.Biotechnol.Bioengineer.,1987,29(2):228-2357　Chen M,Zhao J,Xia L M.Biomass Bioenergy ,2009,13:1381-13858　Li Q,Gao Y,Wang H S,Li B,Liu C,Yu G,Mu X D.Bioresource 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Shuo2,LIU Yu⁃Ting2,YU Yun⁃Bo2,ZHANG Jun2,REN Xiao⁃Dong*11(School of Life Sciences,Jilin University,Changchun130012,China)2(Certificate Appraisal Center of Public Security Department of Jilin Province,Changchun130000,China) Abstract　In the process of industrial transformation of straw,due to the complicated structural relationship of straw itself,the conversion efficiency is low.Therefore,different pretreatment methods are required to pretreat straw to destroy the inherent structure of the straw and improve its enzymatic efficiency.In this study,the effects of different pretreatments on the microstructure of corn stover were investigated by scanning electron microscopy(SEM),Fourier transform infrared spectroscopy(FT⁃IR)and X⁃ray diffraction(XRD). Moreover,the hydrolysis of different pretreated corn stover with cellulase was studied.It was showed that the surface and structure of corn stover were damaged in some extent in pretreatment.The surface of corn stover pretreated with NaOH collapsed mostly,which showed that the structure of lignocellulose was broken effectively.The pretreated corn stover was analyzed with Fourier transform infrared spectroscopy.It was show that the characteristic peaks of ligin at1600and1510cm-1disappeared for corn stover pretreated with NaOH, which indicated that the lignin was removed effectively.The peaks at1744-1734cm-1of pretreated corn stovers(the characteristic peak of C O=),which related to ligin and hemicellulose,reduced in different extent.It was shown that the lignin and hemicellulose were removed with different pretreated methods. Moreover,it was shown that the crystallinities of pretreated corn stovers changed in different extent with X⁃ray scanning.The crystallinity of corn stover pretreated with H2SO4got the maxium value of43.4%.The effects of different pretreated methods were evaluated with corn stover hydrolysis by cellulase.The maxium value of glucose was33.32g/L.This study provided basis for the efficient production of biochemicals with different pretreated corn stover.Keywords　Corn stover;Scanning electron microscopy;Fourier transform infrared spectroscopy;X⁃ray diffraction;Pretreatment;Enzymatic hydrolysis(Received8September2017;accepted14July2018) This work was supported by the Project of Applied Innovation Plan of Ministry of Public Security of China(No.2017YYCXJLST020).。

玉米秸秆稀酸-蒸汽爆破预处理和水解糖化的试验研究韩沐昕;谭羽非;刘欢鹏;李冬梅【摘要】考察了玉米秸秆经1％ (w/w)稀硫酸和水分别浸泡后在不同汽爆压力(分别确定研究压力为1.5 MPa,1.8 MPa和2.0 MPa)和保压时间(分别为4 min,6 min和8 min)下进行蒸汽爆破预处理的处理效果.分析了预处理后固体和液体部分的主要成分和含量.通过考察预处理后固体部分经过纤维素酶作用后所得到的葡萄糖得率,确定了最佳的稀酸-蒸汽爆破预处理工艺.在1％稀硫酸预浸12h后,采用1.8 MPa汽爆条件保压8 min,经过预处理玉米秸秆的最大葡萄糖得率为26.9 g/100g 原料;在该条件下,预处理后过滤液中总糖得率最高为34.5 g/100 g原料.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)010【总页数】5页(P290-294)【关键词】预处理;玉米秸秆;稀酸;稀酸-蒸汽爆破;酶水解【作者】韩沐昕;谭羽非;刘欢鹏;李冬梅【作者单位】哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090;黑龙江建筑职业技术学院,哈尔滨150025;哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学城市水资源和水环境国家重点实验室,市政环境工程学院,哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】X712玉米是我国的主要粮食作物之一，每年的产量约1.3×1012t，同时产玉米秸秆1.56 亿t，玉米秸秆是一种应用价值很高的可再生纤维素资源;但是这种资源长期没有得到合理地开发，约2/3 秸秆被焚烧掉，造成了资源的浪费和大气污染［1］。

秸秆类生物质作为能源，是一种贮存太阳能的可再生物质，生长过程中吸收大气中的CO2，因此在利用过程中排放的CO2，属于大气CO2的正常循环，不存在使全球变暖的效应。

第29卷第2期2009年4月林　产　化　学　与　工　业Che m istry and I ndustry of Forest Pr oductsVol .29No .2Ap r .2009玉米秸秆蒸汽爆破降解产物的分析 收稿日期:2008-09-25 基金项目:国家自然科学基金(30871992);国家“863”计划(2008AA05Z401);江苏高校自然科学重大基础研究(06KJA22015) 作者简介:朱均均(1979-),男,江苏如皋人,博士生,主要从事生物质资源生物转化的研究。

Z HU Jun 2jun 朱均均,勇强,陈尚钘,徐勇,张晓萍,余世袁(南京林业大学林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室,江苏南京210037)摘　要:　采用高效液相色谱(HP LC )和气质联用(GC-MS )色谱技术对玉米秸秆蒸汽爆破降解产物进行分析。

玉米秸秆经蒸汽爆破预处理后,其纤维素、半纤维素和木质素降解损失分别为9.60%、47.98%和17.55%。

采用HP LC 对碳水化合物降解和分解产物定量分析,100g 玉米秸秆预处理后,产生甲酸2.10g 、乙酸2.00g 、乙酰丙酸0.10g 、5-羟甲基糠醛0.08g 和糠醛0.13g 。

采用GC-MS 对木质素和提取物降解产物定性分析,共检测出14种芳香类化合物、22种脂肪酸类化合物和5种呋喃化合物。

关键词:　玉米秸秆;蒸汽爆破;降解产物;气质联用中图分类号:T Q353.42;T Q353.14 文献标识码:A 文章编号:0253-2417(2009)02-0022-05I dentificati on of Degraded Pr oducts fr o m Stea m 2ex pl oded Corn StalkZ HU Jun 2jun,Y ONG Q iang,CHE N Shang 2xing,XU Yong,ZHANG Xiao 2p ing,Y U Shi 2yuan(Key Laborat ory of Forest Genetics &B i otechnol ogy,M inistry of Educati on,Nanjing Forestry Unversity,Nanjing 210037,China )Abstract:A variety of degraded p r oducts fr om corn stalk after stea m 2exp l osi on p retreat m ent were identified by HP LC and GC 2M S analysis .The l osses of cellul ose,he m icellul ose and lignin were 9.60%,47.98%and 17.55%,res pectively,when corn stalk was p retreated by stea m 2exp l osi on .Quantitative analysis of degraded p r oducts fr om carbohydrates indicated that 2.10g for m ic acid,2.00g acetic acid,0.10g levulinic acid,0.08g 52hydr oxy methylfurfural and 0.13g furfural were p r oduced fr om 100g corn stalk after p retreat m ent .The qualitative analysis of degraded p r oducts fr om lignin and extractive indicated that 14ar omatic compounds,22ali phatic acids and 5furan compounds were p r oduced .Key words:corn stalk;steam 2exp l osi on;degraded p r oducts;GC 2MS木质纤维原料生物炼制乙醇工艺中,由于原料中纤维素、半纤维素和木质素致密复杂的结构,纤维素很难被酶水解成单糖,木质纤维原料在酶水解前必须经过预处理以提高纤维素对纤维素酶的可及度。

农技服务2018,35(3) :92〜93产业技术玉米秸秆预处理条件的优化于艳萍\郑旭2(1.吉林大学动物科学学院，吉林长春130062; 2.长春大成实业集团研发中心生化词料实验室，吉林长春130062)[摘要]优化玉米秸秆预处理条件，测定其纤维素、半纤维素和木质素的含量，使其在生产过程中减少 环境污染，降低生产成本和提高产率。

将玉米秸秆切段除尘称量，先用亚硫酸氢钠浸泡，之后通过汽爆或蒸 煮，再用氨水浸泡，然后烘干粉碎用蒸汽压力锅灭菌，最后进行液相色谱分析。

结果表明，利用多种预处理方 法相结合，使得纤维素、半纤维素、木质素分离开，切断其氢键破坏晶体结构，降低聚合度，有效去除木质素，提高纤维素、半纤维素的转化利用率。

以亚硫酸氢钠浸泡24小时、3.0兆帕未挤干汽爆、氨水浸泡2小时的 表现较好。

[关g词]玉米秸秆；预处理条件；转化利用率我国盛产玉米秸秆，但对其利用不髙，研究玉米 秸秆如何生产原料糖是提高秸秆利用率的有效方 法，是推动玉米秸秆资源利用发展的重要选择。

目前玉米秸秆的预处理方法主要有酸处理法、微波处 理法、碱处理法、氨水处理法和蒸汽爆破法等。

其 中，酸处理法应用较早，其中以硫酸应用最多，但酸 处理反应后存留大量废酸，处理成本比较高，对环境 有污染;微波处理具有高效率无污染的优点，但费 用较髙难以得到工业化应用[2];碱处理法中氢氧化 钠效果很好，但后续处理用酸中和费用较高；氨水处 理法的效果较好，但氨水的高挥发性造成利用率比 较低;蒸汽爆破法预处理成本低、无污染及耗能少的 特点而具有更好的效果W。

笔者等结合多种秸秆预 处理方法，以玉米秸秆为原料，以去除秸秆木质素，提高纤维素、半纤维索的转化利用率为目标，进行秸 秆预处理条件优化试验，以期为有效转化和利用玉 米秸秆资源，提高其经济效益的途径提供基本数据 支持。

1 材料与方法1.1 试验材料玉米秸秆：为长春大成集团兴隆山工业园区提 供，自然风干，主要成分为纤维素42. 96%，半纤维 素 20. 96%，木质素 22.00%。

第52卷第1期河南农业大学学报V@52 No. 12018 年 2 月Journal of Henan Agricultural University Feb.2018文章编号：1000 -2340(2018)01 -0085 -06瞬时弹射式蒸汽爆破对玉米秸秆化学结构的影响马鹏#，冯冲#，刘会丽2,于政道3(1.郑州工程技术学院，河南郑州450044 ;2.郑州师范学院，河南郑州450044;3.河南农业大学机电工程学院生物质能源河南省协同创新中心，河南郑州450002)摘要：对玉米藉肝瞬时弹射式蒸汽爆破（Instant Catapult Steam Explosion , IC SE)预处理的效果进行了研冗。

通过与热喷放、碱堆沤2种预处理方法的对比，研究了ICSE预处理对玉米秸秆化学特性、微观结构、理化特性的改变机理。

热重试验表明：在IC S E处理下，最大失重速率比热喷放及碱堆沤2种预处理方式分别高19. 7E和21.2E,热解终了时残留物的质量分数比热喷放及碱堆沤2种预处理方式分别低31. 8E和26. 4E。

显微试验表明：爆破过程彻底改变了玉米秸秆的组织结构，使其细胞壁完全断裂破碎。

傅立叶红外光谱试验表明：ICSE样品谱线比其他样品谱线发生了更为明显位移，表明IC SE处理能够相对于其他预处理方式更加明显的改变玉米秸秆有机官能团。

X射线衍射试验表明&ICSE比热喷放玉米秸秆结晶度下降了29.4E,比碱处理堆沤降低了26. 1E ,峰数减少，化学组成和结构变化最为明显。

关键词：瞬时弹射式蒸汽爆破；玉米秸秆；化学结构中图分类号：S216 文献标志码：AEffects of ICSEonchem ical structure of cornstrawMA P en g1，FEN G C hong1，L I U H u ili2，YU Z hengdao3(1. Z hengzhou I nstitu te of T ech o n lo g y，Z hengzhou 450044，C h in a; 2. Z hengzhou N orm al U n iv ersity，Z hengzhou 450044，C h in a；3. M echanical and E lectrical E n g in eerin g C ollege of H enan A griculturalU n iv ersity，B iom ass E nergy C ollaborative I nnovation C en ter of H enan P ro v in c e，Z hengzhAbstract: A com parative study o n the effect of p retreatm en t of silage m aize stallcs b y( I n stan t C atapultSteam E x p lo sio n，I C S E) w as carried out. T he m echanism of I CSE p retreatm en t on the corn stallcs ch em­ical c h a ra c te ristic s，m icrostructure and physicochem ical properties of I CSE was studied by com parisonw ith the p retreatm en t m ethods of therm al spray and alk alin e retting. TGA test shows th at I CSEa 19.7%in crease in m axim um w eight loss rate com pared witli boiling flow and a 21.2%p ared witli allcali re ttin g，a 31. 8%d ecrease in pyrolysis resid u e m ass fraction com pared w ith boilingflow an d a 26.4%d ecrease com pared w ith alk ali retting. FT I R t e s t shows th at I C S E s a m p le"s spectrumhas m uch m ore obvious d isp lacem en t than the oth er sa m p le s，in d icatin g th a t I CSE could change m oreobviously in corn stalks organic functional groups. X RD test shows th a t I CSE achieves a 29. 4%d e­crease in degree of corn stallcs polym erization com pared witli boiling flow an d a 26. 1%d ecrease com­p ared witli allcali retting. I CSE has the biggest change in chem ical structure.Key words：in stan t cata p u lt steam explosion ；corn s ta lk s; chem ical structure目前，中国面临着资源短缺、环境污染、生态系统退化的严峻形势，解决这些问题的有效方法之一收稿日期：2017 -03 -25基金项目：河南省高等学校重点科研项目（17A630066)作者筒介：马鹏（1980 —），男，河南正阳人，副教授，博士，主要从事生物质能源方面的研究。

蒸汽爆破玉米秸秆热解特性及其动力学分析任天宝;马孝琴;徐桂转;宋安东;张百良【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2011(0)S1【摘要】生物质的热解作为生物质能研究开发的前沿技术已得到较为广泛的重视。

本文采用热重分析法(thermo gravimetric analysis,TGA)对蒸汽爆破预处理后玉米秸秆的热失重特性及其动力学进行了研究。

试样加热速率分别为10、20、30、40、50℃/min,加热终温为800℃,采用高纯氮气作为保护气体。

结果表明:蒸汽爆破预处理后玉米秸秆在同样加热速率条件下,热解过程特性显著改变,最大热分解速率提高34.57%;分别利用Coats-Redfern法和Kissinger法确定了热解动力学参数,并获得热解动力学模型;试样与原玉米秸秆相比活化能(E)降低24.13%～32.56%,指前因子(A)提高8%～10%。

【总页数】5页(P32-36)【关键词】蒸汽爆破;秸秆;热解;动力学【作者】任天宝;马孝琴;徐桂转;宋安东;张百良【作者单位】河南科技学院资源与环境学院;农业部农村可再生能源重点开放实验室【正文语种】中文【中图分类】S1【相关文献】1.玉米秸秆热解特性的实验研究及动力学分析 [J], 惠世恩;梁凌;范庆伟;刘长春;陈志良;荆强征2.瞬间弹射蒸汽爆破联用化学法预处理玉米秸秆的组分和酶解分析 [J], 刘黎阳;郝学密;刘晨光;白凤武3.蒸汽爆破玉米秸秆酶解动力学 [J], 任省涛;程可可;宋安东;张建安4.小麦和玉米秸秆热解反应与热解动力学分析 [J], 何芳;易维明;孙容峰;闸建文;柏雪源;李永军5.玉米秸秆与市政污泥混合热解特性及动力学分析 [J], 代敏怡;丛宏斌;郭占斌;赵立欣;孟海波;姚宗路;盛晨绪;李丽洁;吴雨浓;张迎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

玉米秸秆氢氧化钾及蒸汽爆破耦合预处理厌氧发酵产沼气研究利用厌氧消化技术处理木质纤维素类生物质,能够产生高效、清洁的生物质能源—沼气。

但是木质纤维类原料存在着复杂的结构,导致其厌氧消化具有延迟期长和产气率低等问题。

克服木质纤维素的阻碍是利用木质纤维类生物质生产沼气的有效手段。

本课题研究了多种预处理方式以提高玉米秸秆的生物降解性能。

研究不同压力(1.2、1.5、1.8、2.1MPa)和不同维压时间(5、10、15、20、25 min)下,蒸汽爆破预处理对玉米秸秆厌氧发酵的影响。

结果显示,蒸汽爆破是一种高效的预处理手段,考虑到能耗和效率,将1.2MPa、10 min选择为最佳汽爆条件,累积甲烷产量为223.2 mL/gvs,相对于未预处理秸秆,提高了55.2%。

研究了20℃下不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)KOH预处理及与蒸汽爆破耦合预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响。

结果显示,KOH预处理是提高累积甲烷产量的一种优良方法,选择1.5% KOH为最佳预处理方法,累积甲烷产量为208.6 mL/gvs,相对于未预处理秸秆,提高了45.1%。

相对于未预处理秸秆,经1.5% KOH与蒸汽爆破耦合预处理,甲烷累积产量(258.8 mL/gvs)获得了80.0%的极显著提升,玉米秸秆的生物降解性为62.5%。

研究了60℃下不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)KOH预处理及与蒸汽爆破耦合预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响。

结果显示,热KOH对玉米秸秆的预处理效果优于常温KOH,选择1.5%热KOH 为最佳预处理方法,累积甲烷产量为243.1 mL/gvs,相对于未预处理秸秆,提高了56.4%;相对于20℃下的1.5% KOH预处理秸秆,提高了16.5%。

相对于未预处理秸秆,经1.5%热KOH与蒸汽爆破耦合预处理,甲烷累积产量(292.9 mL/gvs)获得了88.5%的极显著提升,玉米秸秆的生物降解性达到了70.7%。

第24卷第8期农业工程学报V ol.24 No.82008年8月 Transactions of the CSAE Aug. 2008 189 蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用王许涛1,2，张百良1※，宋安东1，罗志华1，任天宝1（1．河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室，郑州 450002； 2．平顶山工学院，平顶山 467044）摘要：该文采用蒸汽爆破技术对秸秆进行预处理，探讨提高秸秆厌氧发酵产气量的新工艺。

研究蒸汽爆破预处理的关键参数“爆破压力”和“保留时间”对秸秆厌氧发酵效果的影响。

结果表明：蒸汽爆破预处理后的秸秆比未经预处理秸秆厌氧发酵的产气量提高34%～67.36%，蒸汽爆破预处理压力在3.0 MPa、保留时间为90 s时，每克干秸秆厌氧发酵沼气产量最大值达到304.72ml；蒸汽爆破预处理后，秸秆厌氧发酵的启动时间和发酵周期大大缩短。

关键词：蒸汽爆破；厌氧发酵；爆破压力；产气量中图分类号: S216.4 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2008)-8-0189-04王许涛，张百良，宋安东，等.蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用[J]. 农业工程学报，2008，24(8)：189－192.Wang Xutao, Zhang Bailiang, Song Andong, et al. Application of steam-exploded technology to anaerobic digestion of corn stover[J]. Transactions of the CSAE, 2008,24(8)：189－192.(in Chinese with English abstract)0 引 言沼气作为一种清洁高效的能源已经得到了认可，但以秸秆为主要原料的沼气工程却很少，这与秸秆的成分和结构特性有关。

秸秆主要成分是半纤维素、纤维素和木质素，在纤维细胞的次生壁中，微细纤维、木素、半纤维素中组分均呈不连续的层状结构，彼此粘结又互相间断。