3种预处理对青贮玉米秸秆理化特性的比较研究

本研究对蒸汽爆破、热喷放及碱堆沤3种预处理方式处理的青贮秸秆的物理特性和理化成分进行了分析,测定了预处理后玉米秸秆在水中的沉降特征、亲水指数等指标,同时通过显微镜观察、红外光谱、X射线衍射及热重分析试验,对各种预处理方法进行了对比和评价。结果表明,青贮玉米秸秆经过3种不同预处理后,其理化特性明显不同。经蒸汽爆破之后秸秆表面呈现亲水特性,沉降比从原料的87.3%减少至0%,比表面积比原料增加65.2%;显微观察发现蒸汽爆破后秸秆细胞壁完全断裂破碎,纤维素结晶度下降至33.11%。蒸汽爆破相比其他2种方法更能显著改变玉米秸秆的结构,使其更利于降解,是一种理想的预处理方式。

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

以瞬间弹射蒸汽爆破(instant catapult steam explosion,ICSE)为基础,联用稀酸法、碱法、氨水法、有机溶剂法以及离子液体法进行预处理,对不同方法采用组分和酶解分析,以探索出一种绿色和高效的预处理方法。ICSE处理后的物料能够显著促进传统的化学预处理过程,其中ICSE与碱法联用预处理的糖收率最高,达到了77.54%,而ICSE与离子液体联用预处理后糖收率比单纯使用离子液体提高了7.78倍,达到了60.04%。选取ICSE与离子液体联用预处理过程作为最优预处理方法,并对其采用傅里叶-红外光谱、X射线晶体衍射和扫描电镜进行表征,经ICSE处理后玉米秸秆变得蓬松且不完整,半纤维素组分减少,促进离子液体对于纤维素的溶解;而与离子液体联用预处理后,物料纤维素和木质素相应官能团吸收峰增强,纤维素结晶构型由纤维素-Ⅰ型转变为纤维素-Ⅱ型,结晶指数降低。

瞬时弹射式蒸汽爆破处理生物质的能量模型及能耗理论分析

在生物质资源化利用领域,蒸汽爆破技术是打破生物质抗降解屏障、实现生物炼制的关键技术途径,具有清洁、短时和高效的显著特点。针对生物质蒸汽爆破过程中能量消耗和能量平衡问题,基于传热学基本原理,对生物质蒸汽爆破过程中的能量组成和转化进行了分析,建立了生物质蒸汽爆破能耗模型,阐明了蒸汽爆破过程中蒸汽热能转换机械功,并利用能量模型对影响生物质蒸汽爆破预处理能耗因素进行能耗分析。结果表明:该模型可以较为准确地反映物质蒸汽爆破过程中的热能利用和转化过程,能够定量分析生物质蒸汽爆破过程中物料含水率、蒸汽爆破强度和装料量的能耗变化规律。研究结果为蒸汽爆破技术的生物液体燃料或生物炼制产业化应用提供了理论参考。

同步酶解发酵瞬时弹射式蒸汽爆破玉米秸秆生产生物饲料研究

通过优化瞬时弹射式蒸汽爆破(Instant Catapult Steam Explosion,ICSE)预处理玉米秸秆同步酶解发酵(Synchronous saccharification and fermentation,SSF)工艺,提高玉米秸秆转化生物饲料工艺的效率和可行性。使用合成培养基和秸秆酶解物培养产朊假丝酵母(Candida utilis BNCC 336517),比较不同温度条件下单纯酶解和同步酶解发酵对瞬时弹射式蒸汽爆破预处理秸秆的糖转化率影响;进一步设计正交试验获得玉米秸秆转化真蛋白最佳条件。结果显示,产朊假丝酵母能高效利用纤维二糖;37℃、单纯酶解100 g瞬时弹射式蒸汽爆破预处理玉米秸秆可产32.16 g总糖,同步酶解发酵后干物质降解率51.61%,总糖利用率为84.1%;相同温度条件下三因素三水平正交试验结果:料水比1:7,纤维素酶复合物20 FPU,添加1%(NH4)2SO4,发酵96 h后产品真蛋白质含量为14.66%。表明得到产朊假丝酵母最优同步酶解发酵条件,且该条件下转化玉米秸秆生产生物饲料具有经济可行性。

瞬间弹射蒸汽爆破增强离子液体对水稻秸秆的预处理效果

选取具有不同组分分离效果的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Emim]Ac)和1-乙基-3-甲基咪唑氯盐([Emim]Cl),并联用瞬间弹射蒸汽爆破(instant catapult steam explosion,ICSE)对水稻秸秆进行预处理。离子液体导致了组分的重排,使纤维素更多地暴露于物料表面,同时减弱了木质素对纤维素紧密交联的程度。ICSE的使用提升了离子液体的预处理效果,酶解糖收率比单纯使用离子液体升高了14.83%([Emim]Ac)和13.14%([Emim]Cl),其中ICSE联用[Emim]Ac的糖收率最高达97.00%。采用扫描电镜(SEM)和热重分析仪(TGA)进行物料结构分析,证实了ICSE联用离子液体有助于破坏物料的致密结构,增加无定形区,从而提高酶解糖收率。

瞬时弹射式蒸汽爆破法制备速溶牦牛骨粉及其理化特性

为解决骨粉的难溶解性及制备耗时问题,该研究采用瞬时弹射式蒸汽爆破(instant catapult steam explosion,ICSE)技术制备速溶牦牛骨粉,并与常规球磨牦牛骨粉进行理化特性比较分析。通过观察不同压力(0.5~1.5 MPa)和不同保压时间(5~30 min)ICSE条件下牦牛骨的液化情况及骨粉得率,以确定牦牛骨粉的制备条件,并通过骨粉化学结构、粒度分布、微观形态、稳定性、蛋白质溶解性和钙离子释放度的测定对比分析了速溶牦牛骨粉和常规球磨骨粉的理化特性。结果显示:1.5 MPa 30 min ICSE条件下制备的骨粉(<500目)得率可达46.16%;与常规球磨牦牛骨粉相比,ICSE牦牛骨粉化学结构无明显变化,但其中值粒径(5.61μm)明显较小(P<0.05),粒度分布均匀并呈正态分布,微观形态均匀规则;ICSE牦牛骨粉的蛋白质溶解度在37、60和100℃条件下分别为97.17%、95.29%和82.07%,均明显高于球磨骨粉(4.07%,6.47%和10.17%)(P<0.05);ICSE牦牛骨粉钙离子释放度为67.42 mg/g,高于常规球磨骨粉(14.25 mg/g);此外,短时间内ICSE骨粉悬浮液在室温条件下无明显沉淀,其溶解性和稳定性优于球磨骨粉。ICSE法制备速溶牦牛骨粉解决了骨粉制备耗时长、溶解性差等问题,为骨粉的制备提供了一种新方法。

瞬时弹射式蒸汽爆破对玉米秸秆化学结构的影响

对玉米秸秆瞬时弹射式蒸汽爆破(Instant Catapult Steam Explosion,ICSE)预处理的效果进行了研究。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ICSE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19.7%和21.2%,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31.8%和26.4%。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ICSE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29.4%,比碱处理堆沤降低了26.1%,峰数减少,化学组成和结构变化最为明显。