農業(yè)廢棄物的生物處理技術課件

農業(yè)廢棄物的生物處理技術農業(yè)廢棄物的生物處理技術1農業(yè)廢棄物的生物處理技術課件2農業(yè)廢棄物的生物處理技術課件31.1什么是農業(yè)廢棄物？

農業(yè)廢棄物(agriculturalresidue)，是指在整個農業(yè)生產過程中被丟棄的有機類物質，主要包括：農林業(yè)生產過程中產生的植物殘余類廢棄物，畜牧漁業(yè)生產過程中產生的動物類殘余廢棄物，農業(yè)加工過程中產生的加工類殘余廢棄物和農村城鎮(zhèn)生活垃圾等。通常我們所說的“農業(yè)廢物”主要指農作物秸稈和畜禽糞便。

4j秸稈1.1什么是農業(yè)廢棄物？農業(yè)廢棄物(agricul41.2農業(yè)廢棄物的分類51.2農業(yè)廢棄物的分類551.3農業(yè)廢棄物的特點1.元素的組成

除C、O、H三元素的含量高達65%—90%外，還含有豐富的N、P、K、Ca、Mg、S等。2.化學組成

一是天然高分子聚合物及其混合物，如纖維素、半纖維素、淀粉、蛋白質等；二是天然小分子化合物，如氨基酸、生物堿、單糖、激素、抗生素、脂肪酸等。3.物理性質

表面密度小、韌性大、抗拉、抗彎、抗沖擊能力強等。61.3農業(yè)廢棄物的特點662.我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀及資源化潛力2.1我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀2.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力72.我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀及資源化潛力2.1我國農業(yè)廢棄物72.1我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀種植業(yè)向省工、高效的方向轉變農業(yè)廢棄物堆積大量化肥代替原用農家肥農業(yè)廢棄物利用率低養(yǎng)殖業(yè)向集約化、城郊化靠攏環(huán)境污染問題人工飼料代替農業(yè)廢棄物飼料資源浪費問題變化現(xiàn)狀82.1我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀種植業(yè)向省工、高效的方向轉變8焚燒的秸稈遺棄的秸稈焚燒的秸稈遺棄的秸稈92.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力1.農作物秸稈

我國是農業(yè)大國，秸稈資源非常豐富。據(jù)統(tǒng)計，2009年全國農作物秸稈理論資源量為8.20億t（風干，含水量為15%），其中稻草、麥秸和玉米秸三大農作物秸稈分別為2.05億t、1.5億t、2.65億t，約占資源總量的75.6%，農作物秸稈折標煤總量為4.04億t（表1）。102.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力1.農作物秸稈102.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力2.畜禽糞便近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展和人們生活質量的不斷提高，對畜禽產品的需求量也在不斷增加，這使得畜禽養(yǎng)殖模式不斷從散養(yǎng)向規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖轉變，促使集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展。但與此同時，畜禽糞便的產生量也在逐年增加，據(jù)統(tǒng)計，2012年我國畜禽糞便年產量約12.69×108t，折算為標煤年產能總量達9430萬t（表2）。2.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力2.畜禽糞便112.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力3.小結由上可知，我國農業(yè)廢棄物具有巨大的資源化潛力，將這些廢棄物通過合理的資源化利用技術轉化為資源，為人類所利用，有利于解決因農業(yè)、畜牧業(yè)快速發(fā)展帶來的環(huán)境污染和資源浪費等問題，這對于實現(xiàn)農業(yè)循環(huán)經濟的發(fā)展，促進“三農”問題的解決，推進社會主義新農村建設等都具有重要的現(xiàn)實意義。122.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力3.小結12123.農業(yè)廢棄物資源化利用的途徑利用途徑3.1能源化3.3飼料化3.4材料化3.2基質化133.農業(yè)廢棄物資源化利用的途徑利用途徑3.13.33.43133.1能源化利用生產木糖醇生物轉化制乙醇生產單細胞蛋白生物制氫沼氣工程技術01熱解液化技術0204050603利用途徑143.1能源化利用生產木糖醇生物轉化制乙醇生產單細胞蛋白生物143.2基質化利用

基質化利用是指農業(yè)廢棄物經過適當處理后用作農業(yè)栽培的原料。農業(yè)廢棄物可用作不同基質的制作原料?；|為植物根系提供水、氣、肥等營養(yǎng)，并對植物起到支持和固定作用。農業(yè)廢棄物基質化工藝農業(yè)廢棄物基質種植食用菌3.2基質化利用基質化利用是指農業(yè)廢棄物經過適當153.3飼料化利用

目前，農業(yè)廢棄物的飼料化主要分為植物纖維性廢棄物的飼料化和動物性廢棄物的飼料化，因為農業(yè)廢棄物中含有大量的蛋白質和纖維類物質,經過適當?shù)募夹g處理便可作為畜禽飼料應用。1.植物纖維性廢棄物植物纖維性廢棄物主要指秸稈。當前我國秸稈的飼用量約為1.6億t。

1.6億t秸稈3.67億ha天然草地產草量養(yǎng)殖量約為4.6億只羊≈≈大多可以直接飼喂也可經過一定加工處理后飼喂優(yōu)點：可以提高其營養(yǎng)利用率和經濟效益。加工處理方法：粉碎等物理方法、酸堿處理等化學方法和微生物發(fā)酵等。163.3飼料化利用目前，農業(yè)廢棄物的163.3飼料化利用2.動物性廢棄物飼料化動物性廢棄物主要指畜禽糞便和加工下腳料。如雞糞的有效能值為7

524

kJ/kg,含粗蛋白27%左右，無氮浸出物20%以上，還含有豐富的鈣、磷和微量元素，通過特定的物理、化學和微生物方法處理后可作為畜禽飼料。但是，動物性廢棄物的飼料化利用存在一定的安全隱患，目前人們對動物性廢棄物的飼料化利用觀點不一致，存在爭議。173.3飼料化利用2.動物性廢棄物飼料化17173.4材料化利用

材料化利用是利用農業(yè)廢棄物中的高蛋白質資源和纖維性材料生產多種生物質材料，比如：高纖維性植物廢棄物?生產紙板、人造纖維板、輕質建材板；?通過固化、炭化技術制成活性炭；?稻殼作為生產白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料；實例?秸稈、稻殼經炭化后生產鋼鐵冶金行業(yè)金屬液面的新型保溫材料；?生產可降解餐具材料和纖維素薄膜。?利用棉稈皮、棉鈴殼等含有的酚式羥基化學成分可制成聚合陽離子交換樹脂吸收重金屬等。183.4材料化利用材料化利用是利用農業(yè)廢棄物中的高蛋184.農業(yè)廢棄物的生物處理4.1堆肥技術4.2干發(fā)酵技術4.3生物轉化制燃料乙醇技術194.農業(yè)廢棄物的生物處理4.1堆肥技術19194.1堆肥技術概念

堆肥技術是利用微生物的作用，將不穩(wěn)定的有機質轉化為較穩(wěn)定的有機質，使廢棄物中揮發(fā)性物質含量降低，臭味減小，物理性狀明顯改善。高溫堆肥還可以殺滅堆料中的病原菌、蟲卵和草籽，堆肥產品作為土壤改良劑和植物營養(yǎng)源。堆肥過程中的影響因素

堆肥過程受許多環(huán)境因子的影響，如C/N比、水分、氧氣濃度、粒度、pH值、溫度等。表3列出了一些堆肥參數(shù)的合理范圍和優(yōu)先范圍，這些數(shù)值可能根據(jù)堆肥原材料的不同而有所變化。204.1堆肥技術概念20204.1堆肥技術綜合堆肥技術

隨著我國經濟的快速發(fā)展，農業(yè)固體廢棄物的排放量不斷增加，成分日趨復雜，為提高固體廢棄物的處理效率，人們不再局限于單一的、傳統(tǒng)的堆肥處理技術，而是將不同的技術有機結合逐步向多元化發(fā)展。綜合堆肥技術應用實例1.蚯蚓堆肥技術底物蚯蚓消化系統(tǒng)微生物產物蚯蚓體：優(yōu)質動物蛋白，可用于養(yǎng)殖。代謝產物：富含植物必須的N、P、K等養(yǎng)分，可作肥料。農作物秸稈及廢渣禽類糞便城市生活垃圾有機污泥等4.1堆肥技術綜合堆肥技術底物蚯蚓消化系統(tǒng)微生物產物蚯蚓體214.1堆肥技術綜合堆肥技術應用實例2.高溫快速堆肥技術與蚯蚓堆肥技術結合優(yōu)點：高溫快速堆肥技術與蚯蚓堆肥技術相結合可有效地解決高溫快速堆肥過程中因處理時間短，腐熟度達不到，產品需進一步處理等問題。3.普通堆肥與蚯蚓堆肥技術結合優(yōu)點：普通堆肥與蚯蚓堆肥技術相結合具有縮短反應時間、提高堆肥質量、對環(huán)境危害小、很好的控制病原菌等優(yōu)點。小結：實踐證明，綜合堆肥技術不僅能加快堆肥的腐熟過程，更能有效解決堆肥處理過程中的處理率和堆肥應用間的矛盾，從而實現(xiàn)廢物的減量化、無害化及資源化，是處理農業(yè)固體廢棄物切實可行的途徑。224.1堆肥技術綜合堆肥技術應用實例22224.2沼氣干發(fā)酵技術概念：沼氣干發(fā)酵又稱固體厭氧發(fā)酵，是以畜禽糞便、秸稈等有機固體廢棄物為原料，在干物質濃度為20%以上的條件下，利用厭氧菌將廢棄物分解為CH4、CO2等氣體的發(fā)酵技術，它是處理有機廢棄物資源化的有效途徑。圖2沼氣發(fā)酵基本流程234.2沼氣干發(fā)酵技術概念：圖2沼氣發(fā)酵基本流程23234.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素1.C/N比在干發(fā)酵過程中，CH4不斷生成，導致原料的C/N比不斷下降，因此進料時的C/N比可適當調高些，研究表明，C/N比在20:1～30:1最適于沼氣干發(fā)酵。2.預處理農業(yè)固體廢棄物化學組成含有纖維素、半纖維素、木質素，這些成分在自然條件下很難分解，采取適當?shù)念A處理，可有效提高產氣率以及原料的利用率，常見的預處理方法有破碎、熱處理、酸堿處理等。4.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素244.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素3.發(fā)酵原料干物質濃度對于不同的發(fā)酵原料干物質濃度會有所不同，一般根據(jù)溫度、pH值等發(fā)酵條件通過試驗確定干物質濃度。冷成保等研究暗河式生活垃圾干發(fā)酵處理指出較理想的干物質濃度是25%～30%；石利軍等以牛糞秸稈為原料，在C/N比=25～30，T=36℃條件下研究干物質濃度對厭氧發(fā)酵產沼氣影響，結果表明10%的干物質濃度產沼氣效果最好。4.溫度厭氧干發(fā)酵溫度一般在中溫（30～45℃）條件下產氣較好。5.pH值pH對生物體內各種酶的活性有一定影響，在中性條件下更適合菌的生長，促進沼氣的產生。254.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素25254.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素6.攪拌通過攪拌可實現(xiàn)微生物和底物的有效接觸，促進傳質、傳熱效率，從而提高沼氣消化效率。國外許多國家在沼氣發(fā)酵過程中設置混合攪拌裝置，攪拌方式有氣體攪拌、水利攪拌、機械攪拌，攪拌模式分為連續(xù)攪拌和間歇式攪拌。264.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素26264.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵裝置1.國外沼氣干發(fā)酵裝置德國于20世紀90年代就進行間歇式沼氣干發(fā)酵技術裝備研發(fā)。目前歐洲主要采用4中沼氣干發(fā)酵工藝，即Dmnco豎式推流發(fā)酵、Valorga豎式氣攪拌、Kompogas臥式推流發(fā)酵和Lingle-KCA臥式推流發(fā)酵，這4種工藝已實現(xiàn)商業(yè)化運作。2.國內沼氣干發(fā)酵裝置我國起步較晚，在21世紀初才開始干厭氧發(fā)酵反應器的研究。韓捷等研制出新型沼氣干發(fā)酵反應器-覆膜槽生物反應器（MembraneCoveredTroughbioreactor,簡稱MCT），并開發(fā)出規(guī)模化的沼氣干發(fā)酵技術和成套裝置。該項技術在工程上解決了沼氣干發(fā)酵進料難得問題，便于管理、節(jié)約用地，提高了實用性和經濟性。274.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵裝置27274.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術燃料乙醇

乙醇俗稱酒精，它以糧食及各種植物纖維為原料，經發(fā)酵、蒸餾制成。將乙醇進一步脫水再與適量汽油混合后即可形成“燃料乙醇"，又稱乙醇汽油。如圖3所示乙醇是太陽能的一種表現(xiàn)形式。在整個自然界大系統(tǒng)中，乙醇的生產和消費過程可形成無污染的閉路循環(huán)，永恒再生，永不枯竭。圖3纖維素乙醇在自然界中的循環(huán)284.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術燃料乙醇圖3纖維284.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術纖維素類農業(yè)廢棄物生產燃料乙醇的意義我國推行乙醇汽油清潔燃料，對我國的能源安全、農業(yè)建設和環(huán)境保護等方面將起到積極的推動作用。（1）減少對進口石油的依賴，提高能源安全；（2）建設農村經濟，帶動農民增收；（3）降低溫室氣體排放，改善大氣環(huán)境。一定的糧食危機①2005年起，在“向玉米要能源’’的推動下，我國東北一些地方上燃料乙醇項目熱情高漲。②2006年底全國以生物燃料乙醇名目提出的建設意向生產能力已超過千萬噸，其中很多是以糧食為原料。③以糧食生產生物燃料，糧食不再僅僅是食物。④使糧食買賣投機興盛，導致了糧食市場扭曲，并使糧價不斷攀升。①中國政府果斷叫停糧食乙醇化項目。②實行生物燃料乙醇項目核準制。③國家的燃料乙醇產業(yè)規(guī)劃中，更明確了“非糧化"的思路。目前看來，承擔改變中國能源結構重任的，是以秸稈為代表的植物纖維。4.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術纖維素類農業(yè)廢棄物生294.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈乙醇化工藝流程以秸稈為原料生產乙醇技術主要包括秸稈原料的預處理、酶水解和乙醇發(fā)酵3個過程(如圖4所示)。目前,在秸稈乙醇化過程中，預處理費用過于昂貴、纖維素酶成本高、缺乏產乙醇的高轉化率微生物菌種等是其主要技術障礙。其中，僅預處理部分的花費就要約占總成本的1/3。圖4秸稈原料生產乙醇流程示意圖304.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈乙醇化工藝流程圖304.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術1.秸稈預處理的必要性秸稈①纖維素；②半纖維素；③木質素。木質纖維素①化學性質很穩(wěn)定的高分子化合物；②不溶于水，也不溶于一般的有機溶劑；③交織在一起形成細胞壁結構，相互制約。不經預處理纖維素酶水解

糖得率很低，一般在理論得率的20％以下。預處理

則能大幅度地提高秸稈作為乙醇化原料的可利用性，并降低酶解成本。結論

進行適當?shù)念A處理對于實現(xiàn)秸稈的高值利用是必要的。314.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術秸①314.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術2.秸稈預處理的方法

目前，對秸稈進行預處理的研究十分眾多。從分類上講，預處理方法主要包括物理法、化學法和生物法，或者是其中多者的組臺。(1)物理預處理方法比較常用的物理處理方法是機械粉碎，通過破碎、碾磨等方式將秸稈粉碎為10～30mm的切片或0.2～2mm的顆粒，隨著粉碎程度加深，表面積也逐漸增大，酶解速度加大。高溫分解也可以作為木質纖維原料預處理的方法。當秸稈在300℃以上的高溫下處理時，纖維素會快速分解成為氣體和殘留固體。此外，高能射線如電子射線、γ射線等也可對纖維素原料進行預處理，電離輻射可以使纖維素聚合度下降。324.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術32324.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法①蒸汽爆破蒸汽爆破是一個很有發(fā)展前景的預處理方法，該方法中無需使用任何催化劑。a.原理:在該方法中，生物質用高壓蒸汽加熱幾分鐘，然后用迅速減壓至常壓的方式停止反應。蒸汽在木質纖維素內部擴散，使纖維素發(fā)生斷裂，內部結構發(fā)生變化，使纖維素、半纖維素、更易與酶反應。在蒸汽爆破后木質纖維素發(fā)生高溫自水解，水解產物包括乙酰丙酸、木糖醇和乙醇等。有研究表明，蒸汽爆破可獲得較高木糖回收率（45.0%～65.0%）。b.缺陷：木質素分離不夠完全，設備成本較高。334.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法334.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法②高溫液態(tài)水預處理a.方法原理高溫液態(tài)水預處理是一種水熱預處理方法，其主要的作用是水解半纖維素產生低聚糖乃至單糖。該方法采用200～300℃在5～25MPa壓力下處理0～15min，有研究表明木質纖維素中的半纖維素通過高溫液態(tài)水預處理可完全水解。b.優(yōu)缺點該法有較高的木糖回收率（88.0%～98.0%），且不需化學試劑，較為經濟。缺點是會產生少量抑制微生物生長的副產物，如糠醛、羧酸，對乙醇發(fā)酵產生影響。344.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法344.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法③氨纖維爆破（AFEX）a.方法原理AFEX是一種堿性熱預處理方法，將生物質用濃氨進行加熱（通常使用中等溫度60～100℃）,然后快速釋壓終止處理，該方法可使纖維素結晶分解，半纖維素解聚以及木質素降解，使酶對木質纖維素水解率大大提高。b.優(yōu)缺點該法氨的回收率可達99.0%，剩余的氨在下游發(fā)酵中可作為微生物生長所需氮源。木質纖維素經AFEX處理后，酶解所需酶量較其他預處理方法低。弊端在于木質素含量較高的生物質的處理率較低，對半纖維素增溶作用小。354.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法354.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法④CO2膨爆預處理

CO2膨爆預處理技術與蒸汽爆破及氨纖維爆破技術相似。然而，CO2爆破較氨爆破更具成本效益，并不會產生蒸汽爆破形成的抑制劑，產物轉化率也高于蒸汽爆破法。但由于CO2的添加使得該技術對反應器的耐壓性提出了較高的要求。364.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法364.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法①酸預處理a.方法原理酸預處理一般分為濃酸和稀酸處理。濃酸由于其高腐蝕性、回收難度大等因素限制了其應用。稀酸處理工藝已較成熟，在130～210℃條件下稀酸（0.50%～1.00%）能夠有效地使半纖維素分解為可溶性糖，從而大大提高纖維素水解生成葡萄糖的產率。Saha等研究表明，用0.75%硫酸在121℃處理小麥秸稈1h，可獲得74%的糖轉化率。b.缺點對反應器耐腐蝕性要求較高、反應過程中會產生抑制微生物生長的副產物（糠醛等）對后續(xù)發(fā)酵產生影響。374.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法374.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法②堿處理法a.方法原理堿處理法可使用鈉、鉀、鈣、氨的氫氧化物。常用的有氫氧化鈉、氫氧化鈣和氨水。堿處理消化木質纖維素中的木質素，并使部分半纖維素溶解，纖維素結晶度由于膨脹而下降。Sun等通過研究小麥秸稈脫木素和半纖維素的溶出度來分析不同堿溶液預處理的效果。他們發(fā)現(xiàn)。最佳的工藝條件為在20℃下采用1.50%氫氧化鈉處理144h分別脫除60%的木質素和溶出80%的半纖維素。b.優(yōu)缺點與其他預處理方法相比堿處理法所需溫度壓力條件較低，缺陷在于與其他化學方法一樣存在環(huán)境污染問題。384.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法384.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法③濕式氧化預處理a.方法原理濕式氧化是用120℃以上的水和空氣（或氧氣）處理木質纖維素的過程，該技術使木質素、半纖維素以從固相轉移到液相，而纖維素極少發(fā)生水解，該方法有效地去除了木質素、半纖維素對纖維素的束縛，從而提高纖維素酶的可及性。b.研究報道Carlos等采用濕式氧化法處理蔗渣，在195℃條件下保溫15min，木質素水解率為50%，半纖維素水解率達到93%，而纖維素酶的水解效率為75%左右。394.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法394.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法④有機溶劑的預處理a.方法原理有機溶劑預處理的主要作用是破壞木質素和半纖維素之間的化學鍵，通常使用的有機溶劑有甲醇、乙醇、醋酸、過甲酸、過氧乙酸、丙酮等。b.優(yōu)缺點該法具有污染相對較小、有機溶劑較易回收等特點，其弊端在于殘留有機溶劑會對下游發(fā)酵微生物造成危害。404.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法404.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(4)生物預處理a.方法原理生物預處理主要是依靠褐腐菌、白腐菌、軟腐菌等可利用木質素和半纖維素的真菌破壞木質纖維素的結構，從而纖維素更易與酶發(fā)生作用。b.優(yōu)缺點該方法的優(yōu)點是無需大量設備支持和任何化學品、安全、節(jié)能。其缺點在于水解率較低，生物脫木質素通常所需時間較長。c.研究報道目前已有微生物作用于蔗渣中木質纖維素的相關研究，結果表明原料中的纖維素及木質素含量大幅減少。414.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法414.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術

水解主要是為了破壞纖維素、半纖維素的氫鍵，使之轉化為可發(fā)酵的單糖。常用的水解工藝主要包括稀酸水解、濃酸水解和酶水解。稀酸水解容易產生大量副產物，而濃酸水解必須考慮回收濃硫酸，增加了工藝的復雜程度。酶水解所需能量較低、環(huán)境條件溫和，因此是比較適合商業(yè)化的水解工藝，也是目前的研究重點。1.秸稈酶水解糖化工藝為了更加高效的利用纖維素酶，改善水解條件，簡化水解程序、設備，眾多學者發(fā)展出多種水解工藝。（1）水解發(fā)酵二段法工藝此法是將水解與發(fā)酵分為兩步進行。第一步利用纖維素酶將秸稈水解為葡萄糖，第二步將這些糖發(fā)酵為酒精。該工藝兼顧了酶解和發(fā)酵各自的最適宜條件。但酶解后產生的葡萄糖對反應有抑制作用，使得酶解糖得率很難提高。424.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術42424.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術1.秸稈酶水解糖化工藝（2）同步糖化發(fā)酵工藝這種方法是將水解和發(fā)酵合二為一，在同一反應器中進行。酶解產生的葡萄糖很快被發(fā)酵生成酒精，消除了水解產物對水解反應的抑制作用，提高了酶解速率和產物轉化率，而且簡化了設備。主要面臨的問題是酶水解與酵母菌發(fā)酵的最適溫度不一致(酶解45～50℃，發(fā)酵30～35℃）實際生產中一般采用折中的37℃，因此酶的活性和發(fā)酵的效率都不能達到最大。（3）固定化細胞技術該法利用海藻酸鈣、卡拉膠、多孔玻璃等作為載體將酶固定化，酶穩(wěn)定性較好，可重復使用和回收，便于連續(xù)操作，使最終發(fā)酵液酒精濃度得以提高。目前固定化細胞研究的新動向是混合固定細胞發(fā)酵，如酵母與纖維二糖酶一起固定化，將纖維二糖基質轉化成酒精，此法被看作是玉米秸稈生產酒精的重要方法。434.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術43434.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術1.秸稈酶水解糖化工藝（4）非等溫同步發(fā)酵法工藝流程包含一個水解塔和一個發(fā)酵罐。糖化和發(fā)酵在兩個反應器中進行，糖化液通過泵隨時輸入到發(fā)酵反應器中。消除了產物對反應的抑制作用，而且協(xié)調了水解與發(fā)酵的工藝條件，實際上是水解發(fā)酵二段法工藝的改進型。(5)同步產酶與酶解工藝這種工藝就是將纖維素酶的生產與纖維素的酶解過程混合在同一個反應器中進行。這種工藝減少了反應容器，降低了設備費用。但對滅菌要求嚴格，并有數(shù)種副產物產生，目前這項研究還處于實驗室水平。444.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術44444.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術2.秸稈酶水解的影響因素在纖維素的酶水解過程中，必須控制好各種環(huán)境條件，以充分發(fā)揮纖維素酶的催化功能。影響木質纖維原料酶水解的因素主要包括：底物、纖維素酶和酶解操作條件。(1)底物濃度與結構底物濃度過高對酶水解有抑制作用，使可發(fā)酵糖的得率降低，但如果底物濃度過低，酶水解速率慢，所得可發(fā)酵糖濃度低而無工業(yè)應用價值，因此木質纖維原料酶水解有最佳底物濃度。底物經過不同預處理后的秸稈結構不同，酶解效果也不同，因此根據(jù)底物性質選用合適的預處理方法對木質纖維原料酶水解至關重要。454.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術45454.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術2.秸稈酶水解的影響因素(2)纖維素酶纖維素酶是影響木質纖維原料酶水解成本與水解效率的另一關鍵因素。通常在一定酶濃度范圍內，酶解糖得率隨著酶用量的增加而增大。一定量的纖維素在一定條件下，纖維素分子能和酶分子結合的結合點數(shù)有限，當這些結合點全部被纖維素酶分子占據(jù)后，即使再增加纖維素酶用量，也起不到酶解作用。從經濟角度考慮，酶用量也要盡可能的少。此外，不同微生物產生不同酶系的纖維素酶，應該根據(jù)底物性質選用合適的纖維素酶。464.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術46464.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術2.秸稈酶水解的影響因素(3)酶解操作條件纖維素酶的活性還受環(huán)境溫度、pH值以及酶解時間的影響。一般纖維素酶的最適pH值為4.0～5.5，酶解最適溫度為45～65℃，最佳酶解時間根據(jù)其它酶解條件通過試驗確定。人們在研究過程中還發(fā)現(xiàn)許多物質對纖維素酶具有激活作用，如乳糖、醋酸酯、一些表面活性劑以及如Na+、K+、Mg+等金屬離子。此外，超聲波的作用也有利于水解。張裕卿等在進行超聲波對木質纖維素糖化過程影響的研究結果表明，超聲輔助酶水解的糖化率比常規(guī)酶解提高了約70％。474.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術47474.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈乙醇工業(yè)化生產現(xiàn)狀

表4國內外主要纖維素乙醇生產廠家技術指標比較

如在國內較早開展燃料乙醇生產的天冠集團，燃料乙醇生產成本仍高達6300元／噸，是Iogen公司的1.8倍，但年產量卻只有其0.2％。4.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈乙醇工業(yè)化生產現(xiàn)485.總結農業(yè)廢棄物生物處理技術的優(yōu)勢（1）相對綠色、安全、節(jié)能；（2）有利于建設現(xiàn)代化的可持續(xù)發(fā)展的綠色農業(yè)系統(tǒng)工程。（沼氣干發(fā)酵產生的沼氣用于發(fā)電，供給生物液體燃料生產，干發(fā)酵過程中產生的沼液沼渣和生物液體燃料產生的殘渣可以用于堆肥。）。農業(yè)廢棄物生物處理技術的缺陷（1）現(xiàn)階段生物液體燃料工藝復雜、生產效率低、成本高；（2）技術瓶頸有待突破，商業(yè)化生產程度低。農業(yè)廢棄物生物處理資源化的展望

相關政府部門應加強宣傳引導，推進農業(yè)廢棄物生物處理資源化系統(tǒng)工程建設，加大資金和人才投入；企業(yè)或科研單位應加快技術開發(fā)與創(chuàng)新，通過技術升級，使農業(yè)廢棄物在生物處理資源化方面得到更高效的利用，實現(xiàn)商業(yè)化生產。

495.總結農業(yè)廢棄物生物處理技術的優(yōu)勢4949THANKYOUFORYOURATTENTION!有錯誤、不妥之處，敬請老師、同學們給予指正！50THANKYOUFORYOURATTENTION!550農業(yè)廢棄物的生物處理技術農業(yè)廢棄物的生物處理技術51農業(yè)廢棄物的生物處理技術課件52農業(yè)廢棄物的生物處理技術課件531.1什么是農業(yè)廢棄物？

農業(yè)廢棄物(agriculturalresidue)，是指在整個農業(yè)生產過程中被丟棄的有機類物質，主要包括：農林業(yè)生產過程中產生的植物殘余類廢棄物，畜牧漁業(yè)生產過程中產生的動物類殘余廢棄物，農業(yè)加工過程中產生的加工類殘余廢棄物和農村城鎮(zhèn)生活垃圾等。通常我們所說的“農業(yè)廢物”主要指農作物秸稈和畜禽糞便。

4j秸稈1.1什么是農業(yè)廢棄物？農業(yè)廢棄物(agricul541.2農業(yè)廢棄物的分類51.2農業(yè)廢棄物的分類5551.3農業(yè)廢棄物的特點1.元素的組成

除C、O、H三元素的含量高達65%—90%外，還含有豐富的N、P、K、Ca、Mg、S等。2.化學組成

一是天然高分子聚合物及其混合物，如纖維素、半纖維素、淀粉、蛋白質等；二是天然小分子化合物，如氨基酸、生物堿、單糖、激素、抗生素、脂肪酸等。3.物理性質

表面密度小、韌性大、抗拉、抗彎、抗沖擊能力強等。61.3農業(yè)廢棄物的特點6562.我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀及資源化潛力2.1我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀2.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力72.我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀及資源化潛力2.1我國農業(yè)廢棄物572.1我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀種植業(yè)向省工、高效的方向轉變農業(yè)廢棄物堆積大量化肥代替原用農家肥農業(yè)廢棄物利用率低養(yǎng)殖業(yè)向集約化、城郊化靠攏環(huán)境污染問題人工飼料代替農業(yè)廢棄物飼料資源浪費問題變化現(xiàn)狀82.1我國農業(yè)廢棄物的現(xiàn)狀種植業(yè)向省工、高效的方向轉變58焚燒的秸稈遺棄的秸稈焚燒的秸稈遺棄的秸稈592.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力1.農作物秸稈

我國是農業(yè)大國，秸稈資源非常豐富。據(jù)統(tǒng)計，2009年全國農作物秸稈理論資源量為8.20億t（風干，含水量為15%），其中稻草、麥秸和玉米秸三大農作物秸稈分別為2.05億t、1.5億t、2.65億t，約占資源總量的75.6%，農作物秸稈折標煤總量為4.04億t（表1）。102.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力1.農作物秸稈602.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力2.畜禽糞便近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展和人們生活質量的不斷提高，對畜禽產品的需求量也在不斷增加，這使得畜禽養(yǎng)殖模式不斷從散養(yǎng)向規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖轉變，促使集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展。但與此同時，畜禽糞便的產生量也在逐年增加，據(jù)統(tǒng)計，2012年我國畜禽糞便年產量約12.69×108t，折算為標煤年產能總量達9430萬t（表2）。2.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力2.畜禽糞便612.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力3.小結由上可知，我國農業(yè)廢棄物具有巨大的資源化潛力，將這些廢棄物通過合理的資源化利用技術轉化為資源，為人類所利用，有利于解決因農業(yè)、畜牧業(yè)快速發(fā)展帶來的環(huán)境污染和資源浪費等問題，這對于實現(xiàn)農業(yè)循環(huán)經濟的發(fā)展，促進“三農”問題的解決，推進社會主義新農村建設等都具有重要的現(xiàn)實意義。122.2我國農業(yè)廢棄物的資源化潛力3.小結12623.農業(yè)廢棄物資源化利用的途徑利用途徑3.1能源化3.3飼料化3.4材料化3.2基質化133.農業(yè)廢棄物資源化利用的途徑利用途徑3.13.33.43633.1能源化利用生產木糖醇生物轉化制乙醇生產單細胞蛋白生物制氫沼氣工程技術01熱解液化技術0204050603利用途徑143.1能源化利用生產木糖醇生物轉化制乙醇生產單細胞蛋白生物643.2基質化利用

基質化利用是指農業(yè)廢棄物經過適當處理后用作農業(yè)栽培的原料。農業(yè)廢棄物可用作不同基質的制作原料?；|為植物根系提供水、氣、肥等營養(yǎng)，并對植物起到支持和固定作用。農業(yè)廢棄物基質化工藝農業(yè)廢棄物基質種植食用菌3.2基質化利用基質化利用是指農業(yè)廢棄物經過適當653.3飼料化利用

目前，農業(yè)廢棄物的飼料化主要分為植物纖維性廢棄物的飼料化和動物性廢棄物的飼料化，因為農業(yè)廢棄物中含有大量的蛋白質和纖維類物質,經過適當?shù)募夹g處理便可作為畜禽飼料應用。1.植物纖維性廢棄物植物纖維性廢棄物主要指秸稈。當前我國秸稈的飼用量約為1.6億t。

1.6億t秸稈3.67億ha天然草地產草量養(yǎng)殖量約為4.6億只羊≈≈大多可以直接飼喂也可經過一定加工處理后飼喂優(yōu)點：可以提高其營養(yǎng)利用率和經濟效益。加工處理方法：粉碎等物理方法、酸堿處理等化學方法和微生物發(fā)酵等。163.3飼料化利用目前，農業(yè)廢棄物的663.3飼料化利用2.動物性廢棄物飼料化動物性廢棄物主要指畜禽糞便和加工下腳料。如雞糞的有效能值為7

524

kJ/kg,含粗蛋白27%左右，無氮浸出物20%以上，還含有豐富的鈣、磷和微量元素，通過特定的物理、化學和微生物方法處理后可作為畜禽飼料。但是，動物性廢棄物的飼料化利用存在一定的安全隱患，目前人們對動物性廢棄物的飼料化利用觀點不一致，存在爭議。173.3飼料化利用2.動物性廢棄物飼料化17673.4材料化利用

材料化利用是利用農業(yè)廢棄物中的高蛋白質資源和纖維性材料生產多種生物質材料，比如：高纖維性植物廢棄物?生產紙板、人造纖維板、輕質建材板；?通過固化、炭化技術制成活性炭；?稻殼作為生產白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料；實例?秸稈、稻殼經炭化后生產鋼鐵冶金行業(yè)金屬液面的新型保溫材料；?生產可降解餐具材料和纖維素薄膜。?利用棉稈皮、棉鈴殼等含有的酚式羥基化學成分可制成聚合陽離子交換樹脂吸收重金屬等。183.4材料化利用材料化利用是利用農業(yè)廢棄物中的高蛋684.農業(yè)廢棄物的生物處理4.1堆肥技術4.2干發(fā)酵技術4.3生物轉化制燃料乙醇技術194.農業(yè)廢棄物的生物處理4.1堆肥技術19694.1堆肥技術概念

堆肥技術是利用微生物的作用，將不穩(wěn)定的有機質轉化為較穩(wěn)定的有機質，使廢棄物中揮發(fā)性物質含量降低，臭味減小，物理性狀明顯改善。高溫堆肥還可以殺滅堆料中的病原菌、蟲卵和草籽，堆肥產品作為土壤改良劑和植物營養(yǎng)源。堆肥過程中的影響因素

堆肥過程受許多環(huán)境因子的影響，如C/N比、水分、氧氣濃度、粒度、pH值、溫度等。表3列出了一些堆肥參數(shù)的合理范圍和優(yōu)先范圍，這些數(shù)值可能根據(jù)堆肥原材料的不同而有所變化。204.1堆肥技術概念20704.1堆肥技術綜合堆肥技術

隨著我國經濟的快速發(fā)展，農業(yè)固體廢棄物的排放量不斷增加，成分日趨復雜，為提高固體廢棄物的處理效率，人們不再局限于單一的、傳統(tǒng)的堆肥處理技術，而是將不同的技術有機結合逐步向多元化發(fā)展。綜合堆肥技術應用實例1.蚯蚓堆肥技術底物蚯蚓消化系統(tǒng)微生物產物蚯蚓體：優(yōu)質動物蛋白，可用于養(yǎng)殖。代謝產物：富含植物必須的N、P、K等養(yǎng)分，可作肥料。農作物秸稈及廢渣禽類糞便城市生活垃圾有機污泥等4.1堆肥技術綜合堆肥技術底物蚯蚓消化系統(tǒng)微生物產物蚯蚓體714.1堆肥技術綜合堆肥技術應用實例2.高溫快速堆肥技術與蚯蚓堆肥技術結合優(yōu)點：高溫快速堆肥技術與蚯蚓堆肥技術相結合可有效地解決高溫快速堆肥過程中因處理時間短，腐熟度達不到，產品需進一步處理等問題。3.普通堆肥與蚯蚓堆肥技術結合優(yōu)點：普通堆肥與蚯蚓堆肥技術相結合具有縮短反應時間、提高堆肥質量、對環(huán)境危害小、很好的控制病原菌等優(yōu)點。小結：實踐證明，綜合堆肥技術不僅能加快堆肥的腐熟過程，更能有效解決堆肥處理過程中的處理率和堆肥應用間的矛盾，從而實現(xiàn)廢物的減量化、無害化及資源化，是處理農業(yè)固體廢棄物切實可行的途徑。224.1堆肥技術綜合堆肥技術應用實例22724.2沼氣干發(fā)酵技術概念：沼氣干發(fā)酵又稱固體厭氧發(fā)酵，是以畜禽糞便、秸稈等有機固體廢棄物為原料，在干物質濃度為20%以上的條件下，利用厭氧菌將廢棄物分解為CH4、CO2等氣體的發(fā)酵技術，它是處理有機廢棄物資源化的有效途徑。圖2沼氣發(fā)酵基本流程234.2沼氣干發(fā)酵技術概念：圖2沼氣發(fā)酵基本流程23734.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素1.C/N比在干發(fā)酵過程中，CH4不斷生成，導致原料的C/N比不斷下降，因此進料時的C/N比可適當調高些，研究表明，C/N比在20:1～30:1最適于沼氣干發(fā)酵。2.預處理農業(yè)固體廢棄物化學組成含有纖維素、半纖維素、木質素，這些成分在自然條件下很難分解，采取適當?shù)念A處理，可有效提高產氣率以及原料的利用率，常見的預處理方法有破碎、熱處理、酸堿處理等。4.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素744.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素3.發(fā)酵原料干物質濃度對于不同的發(fā)酵原料干物質濃度會有所不同，一般根據(jù)溫度、pH值等發(fā)酵條件通過試驗確定干物質濃度。冷成保等研究暗河式生活垃圾干發(fā)酵處理指出較理想的干物質濃度是25%～30%；石利軍等以牛糞秸稈為原料，在C/N比=25～30，T=36℃條件下研究干物質濃度對厭氧發(fā)酵產沼氣影響，結果表明10%的干物質濃度產沼氣效果最好。4.溫度厭氧干發(fā)酵溫度一般在中溫（30～45℃）條件下產氣較好。5.pH值pH對生物體內各種酶的活性有一定影響，在中性條件下更適合菌的生長，促進沼氣的產生。254.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素25754.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素6.攪拌通過攪拌可實現(xiàn)微生物和底物的有效接觸，促進傳質、傳熱效率，從而提高沼氣消化效率。國外許多國家在沼氣發(fā)酵過程中設置混合攪拌裝置，攪拌方式有氣體攪拌、水利攪拌、機械攪拌，攪拌模式分為連續(xù)攪拌和間歇式攪拌。264.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵影響因素26764.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵裝置1.國外沼氣干發(fā)酵裝置德國于20世紀90年代就進行間歇式沼氣干發(fā)酵技術裝備研發(fā)。目前歐洲主要采用4中沼氣干發(fā)酵工藝，即Dmnco豎式推流發(fā)酵、Valorga豎式氣攪拌、Kompogas臥式推流發(fā)酵和Lingle-KCA臥式推流發(fā)酵，這4種工藝已實現(xiàn)商業(yè)化運作。2.國內沼氣干發(fā)酵裝置我國起步較晚，在21世紀初才開始干厭氧發(fā)酵反應器的研究。韓捷等研制出新型沼氣干發(fā)酵反應器-覆膜槽生物反應器（MembraneCoveredTroughbioreactor,簡稱MCT），并開發(fā)出規(guī)?；恼託飧砂l(fā)酵技術和成套裝置。該項技術在工程上解決了沼氣干發(fā)酵進料難得問題，便于管理、節(jié)約用地，提高了實用性和經濟性。274.2沼氣干發(fā)酵技術沼氣干發(fā)酵裝置27774.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術燃料乙醇

乙醇俗稱酒精，它以糧食及各種植物纖維為原料，經發(fā)酵、蒸餾制成。將乙醇進一步脫水再與適量汽油混合后即可形成“燃料乙醇"，又稱乙醇汽油。如圖3所示乙醇是太陽能的一種表現(xiàn)形式。在整個自然界大系統(tǒng)中，乙醇的生產和消費過程可形成無污染的閉路循環(huán)，永恒再生，永不枯竭。圖3纖維素乙醇在自然界中的循環(huán)284.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術燃料乙醇圖3纖維784.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術纖維素類農業(yè)廢棄物生產燃料乙醇的意義我國推行乙醇汽油清潔燃料，對我國的能源安全、農業(yè)建設和環(huán)境保護等方面將起到積極的推動作用。（1）減少對進口石油的依賴，提高能源安全；（2）建設農村經濟，帶動農民增收；（3）降低溫室氣體排放，改善大氣環(huán)境。一定的糧食危機①2005年起，在“向玉米要能源’’的推動下，我國東北一些地方上燃料乙醇項目熱情高漲。②2006年底全國以生物燃料乙醇名目提出的建設意向生產能力已超過千萬噸，其中很多是以糧食為原料。③以糧食生產生物燃料，糧食不再僅僅是食物。④使糧食買賣投機興盛，導致了糧食市場扭曲，并使糧價不斷攀升。①中國政府果斷叫停糧食乙醇化項目。②實行生物燃料乙醇項目核準制。③國家的燃料乙醇產業(yè)規(guī)劃中，更明確了“非糧化"的思路。目前看來，承擔改變中國能源結構重任的，是以秸稈為代表的植物纖維。4.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術纖維素類農業(yè)廢棄物生794.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈乙醇化工藝流程以秸稈為原料生產乙醇技術主要包括秸稈原料的預處理、酶水解和乙醇發(fā)酵3個過程(如圖4所示)。目前,在秸稈乙醇化過程中，預處理費用過于昂貴、纖維素酶成本高、缺乏產乙醇的高轉化率微生物菌種等是其主要技術障礙。其中，僅預處理部分的花費就要約占總成本的1/3。圖4秸稈原料生產乙醇流程示意圖304.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈乙醇化工藝流程圖804.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術1.秸稈預處理的必要性秸稈①纖維素；②半纖維素；③木質素。木質纖維素①化學性質很穩(wěn)定的高分子化合物；②不溶于水，也不溶于一般的有機溶劑；③交織在一起形成細胞壁結構，相互制約。不經預處理纖維素酶水解

糖得率很低，一般在理論得率的20％以下。預處理

則能大幅度地提高秸稈作為乙醇化原料的可利用性，并降低酶解成本。結論

進行適當?shù)念A處理對于實現(xiàn)秸稈的高值利用是必要的。314.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術秸①814.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術2.秸稈預處理的方法

目前，對秸稈進行預處理的研究十分眾多。從分類上講，預處理方法主要包括物理法、化學法和生物法，或者是其中多者的組臺。(1)物理預處理方法比較常用的物理處理方法是機械粉碎，通過破碎、碾磨等方式將秸稈粉碎為10～30mm的切片或0.2～2mm的顆粒，隨著粉碎程度加深，表面積也逐漸增大，酶解速度加大。高溫分解也可以作為木質纖維原料預處理的方法。當秸稈在300℃以上的高溫下處理時，纖維素會快速分解成為氣體和殘留固體。此外，高能射線如電子射線、γ射線等也可對纖維素原料進行預處理，電離輻射可以使纖維素聚合度下降。324.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的預處理技術32824.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法①蒸汽爆破蒸汽爆破是一個很有發(fā)展前景的預處理方法，該方法中無需使用任何催化劑。a.原理:在該方法中，生物質用高壓蒸汽加熱幾分鐘，然后用迅速減壓至常壓的方式停止反應。蒸汽在木質纖維素內部擴散，使纖維素發(fā)生斷裂，內部結構發(fā)生變化，使纖維素、半纖維素、更易與酶反應。在蒸汽爆破后木質纖維素發(fā)生高溫自水解，水解產物包括乙酰丙酸、木糖醇和乙醇等。有研究表明，蒸汽爆破可獲得較高木糖回收率（45.0%～65.0%）。b.缺陷：木質素分離不夠完全，設備成本較高。334.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法834.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法②高溫液態(tài)水預處理a.方法原理高溫液態(tài)水預處理是一種水熱預處理方法，其主要的作用是水解半纖維素產生低聚糖乃至單糖。該方法采用200～300℃在5～25MPa壓力下處理0～15min，有研究表明木質纖維素中的半纖維素通過高溫液態(tài)水預處理可完全水解。b.優(yōu)缺點該法有較高的木糖回收率（88.0%～98.0%），且不需化學試劑，較為經濟。缺點是會產生少量抑制微生物生長的副產物，如糠醛、羧酸，對乙醇發(fā)酵產生影響。344.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法844.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法③氨纖維爆破（AFEX）a.方法原理AFEX是一種堿性熱預處理方法，將生物質用濃氨進行加熱（通常使用中等溫度60～100℃）,然后快速釋壓終止處理，該方法可使纖維素結晶分解，半纖維素解聚以及木質素降解，使酶對木質纖維素水解率大大提高。b.優(yōu)缺點該法氨的回收率可達99.0%，剩余的氨在下游發(fā)酵中可作為微生物生長所需氮源。木質纖維素經AFEX處理后，酶解所需酶量較其他預處理方法低。弊端在于木質素含量較高的生物質的處理率較低，對半纖維素增溶作用小。354.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法854.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(2)物理化學預處理方法④CO2膨爆預處理

CO2膨爆預處理技術與蒸汽爆破及氨纖維爆破技術相似。然而，CO2爆破較氨爆破更具成本效益，并不會產生蒸汽爆破形成的抑制劑，產物轉化率也高于蒸汽爆破法。但由于CO2的添加使得該技術對反應器的耐壓性提出了較高的要求。364.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法864.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法①酸預處理a.方法原理酸預處理一般分為濃酸和稀酸處理。濃酸由于其高腐蝕性、回收難度大等因素限制了其應用。稀酸處理工藝已較成熟，在130～210℃條件下稀酸（0.50%～1.00%）能夠有效地使半纖維素分解為可溶性糖，從而大大提高纖維素水解生成葡萄糖的產率。Saha等研究表明，用0.75%硫酸在121℃處理小麥秸稈1h，可獲得74%的糖轉化率。b.缺點對反應器耐腐蝕性要求較高、反應過程中會產生抑制微生物生長的副產物（糠醛等）對后續(xù)發(fā)酵產生影響。374.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法874.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法②堿處理法a.方法原理堿處理法可使用鈉、鉀、鈣、氨的氫氧化物。常用的有氫氧化鈉、氫氧化鈣和氨水。堿處理消化木質纖維素中的木質素，并使部分半纖維素溶解，纖維素結晶度由于膨脹而下降。Sun等通過研究小麥秸稈脫木素和半纖維素的溶出度來分析不同堿溶液預處理的效果。他們發(fā)現(xiàn)。最佳的工藝條件為在20℃下采用1.50%氫氧化鈉處理144h分別脫除60%的木質素和溶出80%的半纖維素。b.優(yōu)缺點與其他預處理方法相比堿處理法所需溫度壓力條件較低，缺陷在于與其他化學方法一樣存在環(huán)境污染問題。384.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法884.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法③濕式氧化預處理a.方法原理濕式氧化是用120℃以上的水和空氣（或氧氣）處理木質纖維素的過程，該技術使木質素、半纖維素以從固相轉移到液相，而纖維素極少發(fā)生水解，該方法有效地去除了木質素、半纖維素對纖維素的束縛，從而提高纖維素酶的可及性。b.研究報道Carlos等采用濕式氧化法處理蔗渣，在195℃條件下保溫15min，木質素水解率為50%，半纖維素水解率達到93%，而纖維素酶的水解效率為75%左右。394.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法894.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(3)化學預處理方法④有機溶劑的預處理a.方法原理有機溶劑預處理的主要作用是破壞木質素和半纖維素之間的化學鍵，通常使用的有機溶劑有甲醇、乙醇、醋酸、過甲酸、過氧乙酸、丙酮等。b.優(yōu)缺點該法具有污染相對較小、有機溶劑較易回收等特點，其弊端在于殘留有機溶劑會對下游發(fā)酵微生物造成危害。404.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法904.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法(4)生物預處理a.方法原理生物預處理主要是依靠褐腐菌、白腐菌、軟腐菌等可利用木質素和半纖維素的真菌破壞木質纖維素的結構，從而纖維素更易與酶發(fā)生作用。b.優(yōu)缺點該方法的優(yōu)點是無需大量設備支持和任何化學品、安全、節(jié)能。其缺點在于水解率較低，生物脫木質素通常所需時間較長。c.研究報道目前已有微生物作用于蔗渣中木質纖維素的相關研究，結果表明原料中的纖維素及木質素含量大幅減少。414.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術2.秸稈預處理的方法914.3農業(yè)廢棄物生物轉化制燃料乙醇技術秸稈的酶水解技術

水解主要是為了破壞纖維素、半纖維素的氫鍵，使之轉化為可發(fā)酵的單糖。常用的水解工藝主要包括稀酸水解、濃酸水解和酶水解。稀酸水解容易產生大量副產物，而濃酸水解必須考慮回收濃硫酸，增加了工藝的復雜程度。酶水解所需能量較低、環(huán)境條件溫和，因此是比較適合商業(yè)化的水解工藝，也是目前的研究重點。1.秸稈酶水解糖化工藝為了更加高效的利用纖維素酶，改善水解條件，簡化水解程序、設備，眾多學者發(fā)展出多種水解工藝。（1）水解發(fā)酵二段法工藝此法是將水解與發(fā)酵分為兩步進行。第一步利用纖維素酶將秸稈水解為葡萄糖，第二步將這些糖發(fā)酵為酒精。該工藝兼顧了酶解和發(fā)酵各自的最適宜條件。但酶解后產生的葡萄糖對反應有抑制作用，使得酶