太阳能蒸汽爆破和微波预处理对玉米秸秆产沼气的影响

为提高秸秆沼气工程效率,该文以玉米秸秆为原料,分别采用太阳能蒸汽爆破和微波辐射2种方法对其进行预处理,考察中温(35℃)条件下2种预处理方法的产沼气效果。试验结果表明:在接种量200g、发酵温度35℃、启动负荷22.6g/L(以总固体TS计)的试验条件下,2种方法均可破坏玉米秸秆原有刚性结构,使其易与厌氧微生物接触而被降解,其纤维素、半纤维素、木质素含量分别降低7.82%、50.56%、36.33%和20.13%、20.97%、54.03%;2种方法预处理后玉米秸秆沼气发酵TS(总固体)产气率分别达到239.89和281.45mL/g,VS(挥发性固体)产气率分别达到296.02和332.28mL/g,日均产气量分别达到320和334mL(分别高于对照15.11%和20.14%),同时料液滞留时间比对照分别减少42.11%和31.58%。该研究为秸秆预处理及提高秸秆沼气工程发酵效率提供了参考。

玉米秸秆氨化汽爆处理及其固态发酵

在加氨条件下对玉米秸秆进行了汽爆处理(简称氨化汽爆)和固态发酵. 结果表明: 氨化汽爆同样可使秸秆中的半纤维素降解，并使玉米秸秆的酶解率提高到42.97%, 同时可使秸秆的有机氮含量提高1.27倍. 利用氨化汽爆秸秆进行固态发酵，可提高蛋白含量到23.45%，比不加氨汽爆的玉米秸秆提高了1倍. 而加过氧化氢的氨化汽爆不利于微生物发酵.

汽爆玉米秸秆固态发酵生产饲料的研究

以汽爆玉米秸秆为原料 ,进行固态发酵生产蛋白饲料的研究 ,优化了发酵的工艺条件。实验结果表明 :发酵温度为 37℃ ,固液比为 1∶3,培养基中 (NH4 ) 2 SO4 的添加量为 4.5 % ,经过 4d发酵 ,蛋白含量为 16 .7% ,FPA酶活为9.5U/g .min ,失重率为 2 7%。汽爆秸秆发酵结果好于未处理的秸秆。

汽喷玉米秸秆纤维素酶水解的研究

研究了纤维素酶对汽喷玉米秸秆的水解作用，结果表明：利用纤维素酶直接酶解汽喷玉米秸秆，当底物玉米秸杆与水的质量比（即固液比，下同）为１∶１０，酶用量８．８０ＦＰＩＵ／ｇ 玉米秸秆时，酶解４８ｈ，酶解得率达７０．０％ 。同时，还提出了汽喷玉米秆酶解木质素的综合利用的途径。

螺杆挤压连续汽爆装置预处理秸秆试验研究

以玉米秸秆为原料,用螺杆挤压连续汽爆装置进行9组试验,考察了浸渍条件、温度和停留时间对汽爆物组分含量的影响。试验结果表明:从半纤维素水解程度以及汽爆物pH,考察不同浸渍条件的浸渍效果排序为预浸渍>预喷淋浸渍>直接喷淋;采用螺杆挤压连续汽爆装置处理玉米秸秆,在直接喷淋3%稀H2SO4溶液、温度170℃、停留时间25 min的预处理条件下,半纤维素水解成戊糖的效果最好,戊糖得率最高为7.75%。

响应面法优化玉米秸秆饲料的蒸汽爆破加工工艺

为了确定蒸汽爆破预处理玉米秸秆饲料的最优反应条件,以汽爆玉米秸秆还原糖得率为指标,根据BoxBehnken试验设计原理,分析了蒸汽压强、维压时间和预浸水分含量对玉米秸秆还原糖得率的影响,并建立了数学模型。结果表明:蒸汽压强和维压时间对汽爆玉米秸秆水解还原糖得率有显著影响(P<0.01),水分预浸增强了秸秆预处理效果。在考虑实际生产与汽爆后秸秆饲料感官特性前提下,最优汽爆条件为蒸汽压强2.2 MPa,维压时间200 s,预浸水分含量10%的条件下,汽爆玉米秸秆的还原糖得率可达4.33%。

玉米秸秆蒸爆渣的氨基酸辅助纤维素酶水解

以商品纤维素酶C2730酶解玉米秸秆蒸汽爆破渣,研究了不同氨基酸、氨基酸浓度、温度对水洗蒸汽爆破渣纤维素酶水解的影响,优化纤维素酶水解条件,提高纤维素酶水解得率。实验结果表明,纤维素酶水解蒸汽爆破渣的优化氨基酸为苯丙氨酸,优化水解条件为每克纤维素酶用量15FPIU,苯丙氨酸质量浓度为1.5g/L,温度为50℃,水解时间为48h,还原糖和葡萄糖得率分别为51.38%和36.78%。

溶剂脱毒汽爆玉米秸秆对酶解以及发酵的影响

以脱毒对酶解及发酵的影响为研究对象,以酶解还原糖得率及发酵乙醇质量浓度为指标,采用溶剂萃取的方法对无催化汽爆玉米秸秆进行萃取脱毒。结果表明,酶解还原糖得率随着萃取剂及萃取方式介于34.85%和89.7%,酶解还原糖得率和发酵乙醇质量浓度与脱毒有机溶剂的沸点高度负相关,表明有机溶剂的残留是导致酶失活的主要原因。而对于所考察的溶剂,乙醇产率为0.47～0.49 g乙醇/g还原糖,表明有机溶剂残留对乙醇发酵并无显著影响。采用乙醚和丙酮的组合萃取,乙醇最高产率可以达到理论值的96.1%。

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。

蒸汽爆破过程中生物质固相得率的试验测定方法

生物质在蒸汽爆破过程中各类成分会发生多种物理化学变化,造成固相质量的理论减少;固液混合物可能被气流带出或飞溅出回收仓,造成固相质量的非理论减少。这两种因素使生物质爆破前后的物料衡算难以实现。通过对青贮玉米秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、玉米芯、花生壳五种生物质进行多种处理方式的对比试验,我们发现青贮玉米秸秆经2.0MPa\10min、2.4MPa\5min、2.8MPa\3min三种饱和蒸汽蒸煮工艺处理后,再以550℃\4h灼烧后的总灰分相对原料平均变化率分别为0.68%、0.38%和0.34%,其它四种生物质在蒸煮过程中灰分含量也保持了相对稳定,表明在2.8MPa压力以下的不同蒸煮工艺对不同生物质总灰分的绝对质量影响基本没有,所发生的物理化学变化基本不改变总灰分的质量。由于同温度下的蒸煮过程与汽爆过程所发生的物理化学变化类型基本相同,因此对灰分含量影响可以在很大程度上相互参照。只要保证灰分在固相中是均匀分布的,就可以通过汽爆前后总灰分或酸不溶性灰分在固相中的相对含量f0与f1确定出爆后总的固相得率v=f0/f1,并计算出固相中每种成分的爆后得率。从而为汽爆工艺优化与过程分析提供一种更为准确可靠的物料衡算分析方法。

螺杆挤压连续汽爆玉米秸秆的稀酸水解效果

对采用螺杆挤压连续汽爆方法处理的玉米秸秆进行酸水解,探讨稀硫酸和稀盐酸在酸浓度、反应时间、反应温度及固液比等因素对经过处理的玉米秸秆水解效果的影响。结果表明:在硫酸水解正交试验中,影响水解过程的因素由主到次分别为:原料类型、固液比、水解温度、酸浓度和水解时间。其优化条件为:硫酸浓度3%,水解温度110℃,水解时间60min,固液比1︰15,此时120℃下汽爆10min的原料的水解效果最好,还原糖得率可达39.7%。在盐酸水解的正交试验中,影响水解过程的因素由主到次分别为:水解温度、原料类型、水解时间、酸浓度和固液比。在最优条件下,即采用120℃下汽爆6min的原料,在盐酸浓度为3%,水解温度110℃,水解时间60min,固液比1︰20的条件下进行水解,还原糖得率为42.0%。结果表明,螺杆挤压连续汽爆方法能有效提高玉米秸秆在稀酸条件下的水解能力。

不同蒸汽爆破条件对玉米秸秆饲用价值的影响

为研究蒸汽爆破技术在秸秆饲用化中的应用,试验通过设置汽爆中的汽爆原料[玉米(Zea mays)秸秆水分]及汽爆装置(汽爆腔压力)两个参数,分析玉米秸秆在不同水分(50%~60%、60%~70%和70%~80%)和不同汽爆腔压力(0.8、1.0和1.25 MPa)下的营养价值变化,并与未经汽爆处理的玉米秸秆进行比较,探讨不同汽爆参数对玉米秸秆营养价值、物态结构、产气量等的影响。结果显示:1)汽爆后玉米秸秆的中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)和木质素(acid detergent lignin,ADL)含量显著下降(P<0.05)。汽爆处理能够显著提高玉米秸秆相对饲喂价值(relative feeding value,RFV)、干物质自由采食量(dry matter intake,DMI)、可消化干物质(digestible dry matter,DDM)、总可消化养分(total digestible nutrient,TDN)和泌乳净能(lactation net energy,NEL)(P<0.05);且RFV和DMI在1.25 MPa、50%~60%汽爆条件下较未处理原样提高了95.65%和70.64%。DDM、TDN和NEL在1.25 MPa、50%~60%汽爆条件下较未处理原样分别提高了25.41%、60.18%和44.57%。2)汽爆后各处理玉米秸秆的体外产气量均显著升高(P<0.05)。汽爆腔压力为1.0 MPa、原料水分为70%~80%时秸秆48 h累积的体外产气量显著高于其他处理(P<0.05),且较未处理原样累计产气量约升高1倍。汽爆处理也显著提高了玉米秸秆的体外干物质消化率(in vitro dry matter digestibility,IVDMD)(P<0.05),与体外产气量变化趋势相似。3)扫描电镜观察结果表明,随着汽爆腔压力和秸秆原料水分含量的增大,秸秆纤维结构降解程度增加,秸秆由块状变为丝状,在汽爆腔压力为1.25 MPa、秸秆原料水分为50%~60%和60%~70%条件下,秸秆表观纤维结构的相对破损程度最大。综上,汽爆腔压力1.0 MPa、原料水分70%~80%条件为汽爆加工玉米秸秆的最优参数。

蒸汽爆破玉米秸秆厌氧消化产气特性研究

采用批量式厌氧反应装置,在中温(35±1)℃的条件下,探究蒸汽爆破处理后玉米秸秆厌氧消化产气特性.结果表明:在接种物量为30%的情况下,累积产气量为2239 mL,原料产气率为361 mL/g,TS产气率为393 mL/g,VS产气率为519 mL/g,水力滞留时间为18 d.

汽爆处理对玉米—小麦型混合秸秆营养品质的影响

为研究汽爆工艺作为秸秆饲料化预处理技术的可行性,本研究以经采食后残余黄贮玉米(Zea mays)秸秆与小麦(Triticum aestivum)秸秆(7∶3混合)为原料,进行蒸汽破壁处理。通过测定汽爆前和汽爆后不同时间段(0、24和120 h)饲草的常规养分、CNCPS组分、体外产气量及物态结构等,对秸秆的营养价值进行综合评价。结果表明,1)汽爆后不同放置时段混合秸秆的粗脂肪(EE)、酸性洗涤不溶蛋白(ADIP)、中性洗涤不溶蛋白(NDIP)、单糖(ESC)、可溶性蛋白(SP)、总挥发性脂肪酸(VFA)和钙(Ca)含量较汽爆前显著增加(P <0.05),干物质(DM)、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、木质素(ADL)、淀粉(CB_1)和磷(P)含量则显著下降(P <0.05);2)CNCPS评价体系中,汽爆处理组碳水化合物(CHO)、淀粉、可溶性纤维(CB_3)、不可消化纤维(CC)难溶性真蛋白(PB_1)和纤维结合蛋白(PB_2)含量显著低于未汽爆组(P <0.05);非纤维性碳水化合物(NFC)、挥发性脂肪酸(CA_1)、乳酸(CA_2)、水溶性碳水化合物(CA_4)、氨(PA_1)、可溶性真蛋白(PA_2)和非降解蛋白质(PC)与未汽爆组相比,汽爆后各时段均显著升高(P <0.05);其他有机酸(CA_3)和可溶性纤维(CB_2)检测结果为0.00,汽爆前后基本没有变异;3)汽爆处理能够消除部分秸秆抗消化物质,增大微生物单位接触面积,提高产气量和消化率,显著增加玉米及小麦混合秸秆相对饲喂价值(P <0.05);4)扫描电镜结果表明,汽爆处理后玉米杆、穗皮中纤维键断开,叶肉部分细胞壁破坏,只剩丝状叶脉或难破壁的丝状木质素,纤维和纤维束变得卷曲柔软,且卷曲程度增加。综上,汽爆处理可明显改变混合秸秆饲料理化特性,显著提高其营养价值及饲喂品质;且汽爆后短时间内营养物质不会流失,是一种经济有效的农作物秸秆预处理方法。

添加剂对汽爆玉米秸秆养分和发酵特性的影响

为解决饲料短缺问题,提高收获籽实后玉米秸秆的利用效率。本试验以经汽爆处理的玉米秸秆进行厌氧发酵,设对照(CK)、分别添加乳酸菌制剂Sila-Max(MAX),Sila-Mix(MIX)及纤维活性菌(活性菌)4个处理,发酵60 d后测定营养成分及发酵品质。结果表明:不同处理间常规营养成分无显著差异;康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(Cornell Net Carbohydrate and Protein System,CNCPS)评价结果表明,活性菌组乳酸、MAX组总挥发性脂肪酸含量显著高于其他处理(P<0.05);从发酵品质来看,活性菌组pH、NH3-N/TN显著低于其他处理(P<0.05),乳酸显著高于其他处理组(P<0.05),MAX组乙酸、丙酸含量显著高于其他处理组(P<0.05),MAX,MIX组干物质损失率显著低于其他处理组(P<0.05)。综上,纤维活性菌可以改善秸秆发酵品质;Sila-Max可以增加乙酸、丙酸含量,减少干物质损失,具有提高秸秆有氧稳定性、抑制饲料二次发酵的潜力;Sila-Mix可以减少秸秆干物质损失。

蒸汽爆破技术在玉米秸秆饲料化利用中的研究进展

玉米秸秆是作物残余物中最丰富的木质纤维素生物质之一,主要由纤维素、半纤维素和木质素通过氢键及其他化学键、分子键结合而成,是具有复杂聚合结构的高分子化合物,作为动物饲料的可利用率较低。蒸汽爆破即汽爆,是应用蒸汽弹射原理实现爆炸过程中对生物质预处理的技术。将蒸汽爆破技术应用于玉米秸秆处理,可高效分离纤维素,对玉米秸秆具有明显的解聚作用,有利于提高玉米秸秆的饲料化利用程度。作者介绍了蒸汽爆破工艺原理与参数,综述了蒸汽爆破处理对玉米秸秆纤维结构、化学成分和酶解产糖的影响,以及对玉米秸秆的营养成分消化率和瘤胃微生物附着的影响。已有研究表明,蒸汽爆破可使蒸汽分子渗入植物组织,经过瞬时释放将内能转化为机械能,作用于生物质组织细胞层间,达到原料分解的目的;蒸汽爆破可改变玉米秸秆的纤维结构,降低半纤维素和木质素含量,提高纤维素含量(随着蒸汽爆破的压强和维压时间的增加,半纤维素含量显著降低,而物料含水率的增加会导致纤维素含量升高);蒸汽爆破可提高玉米秸秆体外发酵酶解产糖率,随着蒸汽爆破压强和维压时间的增加,玉米秸秆体外培养酶解还原糖产量增加;蒸汽爆破可使玉米秸秆的体外发酵产气量、产气速率、干物质和酸性洗涤纤维含量显著提高,可提高反刍动物对玉米秸秆的消化利用率,充分利用玉米秸秆的纤维素,提高玉米秸秆的营养价值;蒸汽爆破通过破坏玉米秸秆的表面结构,可促进瘤胃微生物在玉米秸秆上的附着,从而促进玉米秸秆的降解。综上,蒸汽爆破技术处理玉米秸秆可提高其作为饲料的利用率。

玉米秸秆纳米纤维素制备的工艺优化

该研究采用弹射式蒸汽闪爆法(High density steam flash-explosion,HDSF)制备玉米秸秆纳米纤维素纤维,研究蒸汽闪爆压力、蒸汽闪爆时间、Na OH浓度对玉米秸秆中的半纤维素、纤维素、木质素含量的影响。以单因素试验为基础,根据中心组合实验设计原理,将纳米纤维素含量作为响应值,通过响应面分析法进行试验设计与数据分析。试验发现:弹射式蒸汽闪爆法制备纳米纤维素的工艺参数为:蒸汽闪爆压力值为1.5 MPa,蒸汽闪爆时间为285 s,氢氧化钠浓度为0.4 mol/L,纳米纤维素含量预测值46.02%,实验验证值为45.88%,与预测值接近,说明预测模型可靠性较高,此时半纤维素含量13.50%,木质素含量11.78%,证明方法合理可行。影响纳米纤维素得率的因素依次为蒸汽闪爆压力值>蒸汽闪爆时间>氢氧化钠浓度。弹射式蒸汽闪爆法有利于分离相互缠绕的半纤维素、纤维素、木质素,具有效率高、成本低、绿色无污染等优点。并且运用此方法制备的纳米纤维素具有较小粒径和良好的水溶性,这使得玉米秸秆纳米纤维素拥有更好的应用前景。

磷酸预浸蒸汽爆破玉米秸秆生产纤维素乙醇

研究了磷酸预浸玉米秸秆经不同温度(190～210℃)蒸汽爆破预处理后生产纤维素乙醇的效果。实验结果表明,磷酸预浸能够加大玉米秸秆中半纤维素在蒸汽爆破过程中的水解程度,从而提高纤维素的酶水解性。玉米秸秆经磷酸预浸后的最佳蒸汽爆破预处理温度为190℃;酶水解获得的葡萄糖产量为0.331 g/g原料,得率为82.7%,与磷酸预浸前的玉米秸秆相比提高了27.2%;经过96 h的同步糖化发酵后,可获得28.3 g/L的乙醇浓度,相当于1 g原料可获得0.164 g乙醇,相比磷酸预浸前的玉米秸秆提高了34.4%。

蒸汽爆破膨化改性对玉米秸秆结构及复合板机械性能的影响

将玉米秸秆通过单螺杆式蒸汽爆破的方式进行膨化,得到不同类型膨化玉米秸秆,再与聚丙烯树脂(PP)复合制备复合板材。通过扫描电子显微镜(SEM)、反射红外(ATR-FTIR)、热重分析(TGA)、差式扫描量热(DSC)及鲍尔纤维筛分等测试,分析了秸秆膨化前后的纤维变化情况等。分析结果表明:SEM显示通过蒸汽爆破膨化机处理过的玉米秸秆能够有效进行“三素分离”,使得玉米秸秆表面结构由规整变成纤维状和粉末碎片,并且TGA、DSC和ATR-FTIR测试结果显示:在膨化过程中纤维素结构无变化,而半纤维素和木质素发生了部分的热分解。对膨化玉米秸秆与PP复合制备的复合板材的力学性能测试发现:与未膨化玉米秸秆(CS)制备的板材相比,膨化玉米秸秆(SECS)制备的板材的冲击韧性强度和拉伸强度分别增加15.69%和17.24%,而与SECS制备的复合板材的性能相比,分别经苯乙烯-丙烯酸共聚物和乙烯-醋酸乙烯共聚物修饰的膨化玉米秸秆制备的复合板材的冲击韧性强度分别增加了156.74%和100.98%,拉伸强度分别提高了83.42%和12.03%。

秸秆汽爆分级长短纤维酶解性能差异性的研究

降低酶解过程中纤维素酶用量是克服木质纤维素资源炼制过程经济关的关键因素。本研究探索了秸秆汽爆分级后长短纤维酶解性质的差异及其来源,以及利用汽爆分级降低用酶量的可能性。结果表明,分级后的短纤维酶解难度较长纤维显著降低,其酶解率在用酶量仅5 FPU/g DM的情况下即可超过长纤维在20 FPU/g DM时的酶解率,将用酶量降低75%,这主要是由于长短纤维的组织来源不同。由于力学强度的差别,汽爆后秸秆不同组织粒径各异,为分级提供了基础。短纤维主要由来自髓芯的薄壁细胞组成,纤维素结晶度较低,较长纤维具有更低的酶解难度。此外在短纤维酶解过程中束缚水释放更加充分,提高了传质效率,有利于降低产物抑制对酶活性的影响。本研究为提高木质纤维素原料均一性提供了一种有效的方法,对木质纤维素资源的开发具有重要意义。