秸秆生产沼气利用现状和预处理建议

秸秆生产沼气利用现状和预处理建议摘要：利用秸秆生产沼气是实现秸秆生物转化的有效途径，也是秸秆能源利用中最接近工业化应用的技术之一。目前要实现工业化产沼气仍然存在着很多问题，如成本高、发酵效率低、沼气纯度较低等。但如果对秸秆进行预处理，将其中难以水解的纤维素、半纤维素转化为可溶性发酵糖，则秸秆的厌氧发酵率及利用率均大幅提高。本文建议利用铁盐催化乙酸对秸秆进行水解。关键词：玉米秸秆；Fe（NO3）3；乙酸；预处理1绪论能源短缺与环境危机已成为人类社会可持续发展的主要障碍，寻找可再生资源和能源，降低对化石能源的依赖，保护生态环境，已经成为人类发展的共识［1］。生物质是世界上最广泛存在的一种持续性资源［2］。目前生物质能的主要形式有燃料乙醇、生物柴油、沼气和制氢。其中乙醇以一定比例掺入汽油作为汽车的燃料可替代部分汽油；生物柴油可供内燃机使用，是优质的石油柴油代用品；而沼气是以甲烷为主体的混合可燃气体，燃烧后生成CO2和H2O,沼气还具有很高的热值，1m3的沼气大约相当于1.2kg的煤或者0.7kg的汽油；氢气燃烧时只生成水，不产生任何污染物，是一种清洁能源［3］。因此，发展利用生物质能源是解决目前能源短缺和环境问题的最有效途径之一。我国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，每年可收集的各种农作物秸秆量约为6.87亿吨［4］。因此，如果能将秸秆有效处理并进行资源或能源化利用，则能有效避免二次污染，还能缓解目前能源短缺问题。2秸秆的化学组成及结构特性秸秆是由大量有机物、水及少量无机物组成，其有机物主要成分为纤维素类的碳水化合物和木质素，此外还有少量的可溶性糖、粗蛋白质和粗脂肪。纤维素、半纤维素及木质素一起构成植物细胞壁的支持骨架。常见农作物秸秆中，这三种组分占总质量分数的70%~85%，它们所占的比例因秸秆种类不同而各异［5、6，7］。3木质纤维素类生物质的利用现状及存在的问题随着生产力的发展，人类对能源的需求越来越大，而严峻的能源形势日益成为全世界关注的焦点。据科学家估计，地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3X1021J，每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳能相当于全世界每年耗能量的10倍［8］。但生物质作为能源被利用的部分不足其总量的1%［9］。地球上每年大约形成1x1012t木质纤维素生物质，是自然界分布最广，含量多，价格低廉而又可再生的资源［10］。美国是目前世界上第一大能源生产国和消费国，美国能源部早在1991年就提出了生物质发电计划［11］。近年来，我国能源形势严峻，而我国具有丰富的生物质能源，自2006年也开始陆续出台了相应的发展生物质能源的配套措施，并启动了"十一五〃国家科技支撑计划"农林生物质工程〃重大项目。目前木质纤维素类生物质的转化利用形式主要有燃料乙醇和沼气。秸秆的木质纤维素含量较高，纤维素本身结构也很复杂，其分子内部存在大量的结晶区、非结晶区和氢键，难溶于常见溶剂。因此，不易被厌氧菌消化，厌氧发酵产气量低、经济效益差，这是导致秸秆不能够被大规模用于沼气生产的主要原因。解决的方法就是在厌氧发酵前，对秸秆进行预处理。预处理的目的就是要解除包裹纤维素的木质素、破坏纤维素中的结晶区，降低其聚合度和结晶度，从而增强在溶剂中的溶解性，进一步提高后续转化反应速率。因此，预处理是木质纤维素降解转化生产沼气工艺中一个很重要且不可或缺的步骤。4常用的预处理方法在秸秆产甲烷过程中，对秸秆进行预处理的主要目的就是尽可能的去除木质素，打破纤维素的晶体结构，使秸秆中的聚合物降解成可溶性的单糖而被产酸菌高效利用。目前预处理方法有很多种，但在预处理过程中要尽可能实现以下几点：（1）促进糖的生成并有利于后续的发酵；（2）尽可能的避免糖降解；（3）避免产生对后续酸化有抑制作用的有害副产物；（4）低成本生产。目前，相关的预处理方法很多，大体上可以分为物理法、化学法、生物法、物理化学结合法等。目前，研究的重点主要是化学方法和物理化学方法。5提出秸秆预处理建议秸秆预处理效果的好坏主要取决于氢离子的浓度，尽管无机强酸在秸秆的水解过程能够提供足够的氢离子浓度，水解效果较好。然而，无机强酸预处理并不适用于秸秆沼气生产过程。在一定条件下，有机酸的存在同样能促进秸秆的水解，且不会对水解液中糖的降解起催化作用。然而，有机酸酸性较弱，提供的氢离子浓度较低，要想达到好的预处理效果则必须提高浓度，这样就增加了成本。如果能通过添加合适的助催化剂来促进有机酸预处理秸秆的效率，同时降低有机酸的浓度，则会大大降低沼气生产的成本，并且解决了由无机强酸预处理带来的各种问题。经研究报道，金属离子在秸秆的水解过程中起到一种类似催化作用。它可催化秸秆自身成分生成有机酸增加酸度，或催化秸秆中的有机酸、多酚类形成氧化自由基，增加反应体系的氧化能力，打开秸秆内部的结构，特别是打开连接半纤维素与纤维素和木质素之间的结构键，使半纤维素易于降解[12]。孙君社等发现，在稀硫酸水解秸秆的过程中，添加微量的铁离子能够促进水解效果，同时降低了硫酸的浓度[13]。基于以上所提出的问题，本文建议利用铁盐催化乙酸对秸秆进行水解，通过对发酵底物产量的测定，以期寻找经济高效的预处理方法。参考文献PetersenJ.E..Energyproductionwithagriculturalbiomass:environmentalimplicationsandanalyticalchallenges[J].EuropeanReviewofAgriculturalEconomics，2008，35（3）：385~408.程备久.生物质能学[M].北京：化学工业出版社，2006.戎茜..生物能源的研究和利用现状[J].生物学通报，2006,41（12）：24~25.中华人民共和国国家统计局编.中国统计年鉴.北京：中国统计出版社，2010.KumarP.，BarrettD.M.，DelwicheM.J.，etal.Methodforpretreatmentoflignocellulosicbiomassforefficienthydrolysisandbiofuelproduction[J].IndustrialandEngineeringChemistryResearch，2009，48（8）：3713~3729.MosierN.，WymanC.，DaleB.，etal.Featuresofpromisingtechnologiesforpretreatmentoflignocellulosicbiomass[J].BioresourceTechnology，2005，96（6）：673~686.SunY.,ChengJ.Y..Hydrolysisoflignocellulosicmaterialsforethanolproduction：areview[J].BioresourceTechnology,2002,83(1)：1~11.王丰华，陈庆辉.生物质能利用技术研究进展[J].化学工业与工程技术，2009,30(3)：32~35.孙振钧.中国生物质产业及发展取向[J]..农业工程学报，2004,20(5)：1~5.王许涛.生物纤维原料汽爆预处理技术与应用研究[D].河南农业大学农业生物环境与能源学院博士学位论文，2008.张建安，刘德华.生物质能源利用技术[M].北京：化学工业出版社，2009.KootstraA.M.J.,BeeftinkH.H.,ScottE.L.,etal.Comparisonofdilutemineralandorganicacidpretreatmentforenzymatichydrolysisofwheatstraw[J].BiochemicalEngineeringJournal,2009,46(2)：126~