蒸汽爆破預(yù)處理降解香蕉莖稈纖維素組分的研究

鄭麗麗 韓冰瑩 盛占武 陳嬌 李奕星 趙立欣

摘 要 分析測試香蕉莖稈總固體含量（TS）和揮發(fā)性固體含量（VS）及香蕉莖稈固體剩余物中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量；采用蒸汽爆破法對香蕉莖稈進(jìn)行預(yù)處理，探討不同壓力及維壓時間下對香蕉莖稈中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素組分的降解程度，分析蒸汽爆破預(yù)處理優(yōu)缺點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理后，香蕉莖稈的組分被不同程度破壞，當(dāng)壓力為3.5 MPa，維壓時間為4 min時，香蕉莖稈中半纖維素含量由預(yù)處理前13.33%降至4.36%，降解率高達(dá)67.29%，纖維素含量由48.33%降至39.15%，降解率為18.99%，木質(zhì)素含量由14.62%降至6.52%，降解率為55.40%，總體含量由76.28%降至50.03%，降解率為34.41%。說明蒸汽爆破技術(shù)對香蕉莖稈固體剩余物的預(yù)處理效果比較顯著，有一定的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 蒸汽爆破 ；預(yù)處理 ；香蕉莖稈 ；降解率

分類號 S141.4；TQ353.421

香蕉莖稈是熱區(qū)主要生物質(zhì)秸稈資源之一，數(shù)量巨大，季節(jié)性不明顯，是熱區(qū)生物質(zhì)能源化利用的優(yōu)質(zhì)原料。長期以來，由于缺乏足夠的重視與投入，香蕉莖稈資源利用率十分低下，造成大量資源浪費(fèi)和熱區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染[1]。香蕉莖稈固體剩余物的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，占莖稈固體總量的76%左右，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素相互交聯(lián)，使得纖維素及其它可發(fā)酵物質(zhì)難以被厭氧微生物或酶降解利用。直接進(jìn)行厭氧消化制備沼氣，會出現(xiàn)啟動慢、效率低、轉(zhuǎn)化利用率低的問題。莖稈預(yù)處理技術(shù)可破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的連接，并對其進(jìn)行一定程度的預(yù)降解，有效提高莖稈厭氧消化性能。常用預(yù)處理方法主要有物理法[2-7]、化學(xué)法[8-10]、生物法[11-13]以及聯(lián)合法[14-17]，物理法包括機(jī)械粉碎、熱液分解、蒸汽爆破、微波和超聲波處理等，具有污染小、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是能耗大，成本高；化學(xué)法主要包括酸法、減法、氧化法等，化學(xué)法預(yù)處理效率高，但化學(xué)廢液易造成環(huán)境污染，對設(shè)備的要求較高，生物法主要研究的有真菌、基因工程菌、酶類等，生物法雖然清潔，但周期長，處理效率低，難以達(dá)到工業(yè)化的要求；聯(lián)合法是兩種或者幾種方法的有機(jī)結(jié)合，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，但一般工序復(fù)雜，成本較高。

國內(nèi)外很多學(xué)者研究表明，蒸汽爆破法預(yù)處理秸稈具有操作簡單、降解效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)[5-7]，是一項(xiàng)綠色、高效、節(jié)能的預(yù)處理手段。本文考察蒸汽爆破對香蕉莖稈半纖維、纖維素、木質(zhì)素的降解能力，分析預(yù)處理效果，以期為香蕉莖稈資源進(jìn)一步生物轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料

香蕉莖稈取自海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)，自然風(fēng)干后剪碎至1～2 cm2大小備用。

1.1.2 試驗(yàn)裝置

蒸汽爆破裝置：海口實(shí)驗(yàn)站蒸汽爆破室。

1.1.3 測試儀器

主要試驗(yàn)儀器包括萬能高速粉碎機(jī)DFY-500C（上海比朗儀器有限公司）、G/540D型全自動高壓滅菌鍋（廈門致微儀器有限公司）、電熱鼓風(fēng)干燥箱DHG-9070A（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、馬弗爐SX2-4-10（上海葉拓儀器儀表有限公司）、紫外可見分光光度計(jì)UV-1800（島津中國有限公司）、水循環(huán)式多用真空泵SH2-D（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）、恒溫水浴鍋DK-S26（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、電子天平（精度為0.01 g）、3號玻璃砂芯漏斗、容量瓶、坩堝、錐形瓶等。

1.2 方法

1.2.1 香蕉莖稈理化特性測試

TS、VS重量法[18]分析，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量采用王萬玉法[19]進(jìn)行測試，測試3次取平均值。

1.2.2 預(yù)處理

蒸汽爆破預(yù)處理：先將蒸汽爆破裝置啟動進(jìn)行預(yù)熱，取適量原料裝入汽爆罐，待罐內(nèi)蒸汽壓力、維壓時間達(dá)到試驗(yàn)所需時，瞬間釋放。取汽爆后原料測試其纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量，分析不同條件下各組分降解效率。蒸汽爆破原理示意圖如圖2所示。

在高壓蒸汽釋放時，已滲入纖維內(nèi)部的熱蒸汽分子以氣流的方式從較封閉的孔隙中高速瞬間釋放出來，纖維內(nèi)部及周圍熱蒸汽的高速瞬間流動，使纖維發(fā)生一定程度上的機(jī)械斷裂，破壞纖維素內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于水蒸汽和熱的聯(lián)合作用產(chǎn)生纖維原料的熱降解。

2 結(jié)果與分析

2.1 香蕉莖稈理化性能分析

由表1可知，香蕉莖稈原料中TS約63.60%，VS約58.63%，與玉米秸稈、小麥秸稈等大宗作物秸稈相比，香蕉莖稈原料中總固體含量、揮發(fā)性固體含量較低。香蕉莖稈中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，約為48.33%，其次是木質(zhì)素和半纖維素，分別為14.62%和13.33%，木質(zhì)纖維總體含量為76.28%。香蕉莖稈的理化特性分析數(shù)據(jù)表明，香蕉莖稈固體原料具備生物轉(zhuǎn)化的潛力。

2.2 不同汽爆壓力對香蕉莖稈主要成分的影響

不同汽爆壓力對香蕉莖稈的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量變化的影響如圖3所示。

由圖3可知，與未處理組相比，不同汽爆壓力預(yù)處理的香蕉莖稈原料各纖維組分均有不同程度的降解作用，汽爆壓力為1.5 MPa時，香蕉莖稈原料中半纖維素含量由13.33%降至10.53%，纖維素含量由48.33%降至45.88%，木質(zhì)素含量由14.62%降至12.61%，隨著汽爆壓力的增大，原料中各纖維組分含量均呈下降趨勢，半纖維素和木質(zhì)素降解程度更為顯著，纖維素降解程度較低，當(dāng)汽爆壓力為3.5MPa時，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素降解率最高，分別由13.33%、48.33%、14.62%降至5.42%、42.16%、7.24%，降解率分別為59.34%、12.77%、50.48%，總體含量從76.28%降至54.82%，綜纖維素降解率高達(dá)28.13%。說明汽爆壓力是蒸汽爆破預(yù)處理過程中重要影響因素，氣爆壓力越大，單位時間內(nèi)滲入到纖維內(nèi)部的蒸汽量越大，瞬間釋放時，蒸汽對原料做功越大，對原料的降解作用越強(qiáng)。

2.3 不同維壓時間對香蕉莖稈主要成分的影響

保持汽爆壓力為3.5 MPa，改變不同維壓時間1、2、3、4 和5 min，對香蕉莖稈的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量變化的影響如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)氣爆壓力同為3.5 MPa的情況下，隨著維壓時間的延長，香蕉莖稈固體原料各纖維組分均有較大程度的降解作用，當(dāng)維壓時間4 min時，半纖維素、纖維素、木質(zhì)素分別由13.33%、48.33%、14.62%降至4.36%、39.15%、6.52%，半纖維素降解率67.29%，木質(zhì)素降解率55.40%，纖維素降解率18.99%，綜纖維素含量由76.28%降至50.03%，降解率最高達(dá)34.39%。延長維壓時間木質(zhì)素的降解率繼續(xù)提高，但由于對半纖維素、纖維素的降解率反而升高，導(dǎo)致綜纖維素降解率略有升高。可能是由于經(jīng)過4 min的時間，熱蒸汽通過原料空隙進(jìn)入到原料內(nèi)部已經(jīng)達(dá)到平衡，繼續(xù)延長維壓時間熱蒸汽不會繼續(xù)流向原料內(nèi)部，當(dāng)高壓蒸汽瞬間釋放時，滲入原料內(nèi)部的蒸汽對原料做功不再增加，因此對原料的降解能力不再增強(qiáng)。

氣爆預(yù)處理的最適條件為氣爆壓力3.5 MPa，維壓時間4 min，此時香蕉莖稈中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素的總體含量降解程度最大。

3 結(jié)論與討論

（1）香蕉莖稈固體剩余物TS約63.60%，VS約58.63%，香蕉莖稈固體剩余物中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為48.33%，其次是木質(zhì)素和半纖維素，分別為14.62%和13.33%，木質(zhì)纖維總體含量為76.28%。香蕉莖稈固體原料具備生物轉(zhuǎn)化的潛力。

（2）蒸汽爆破預(yù)處理對香蕉莖稈固體剩余物各組分有顯著的降解作用。蒸汽壓力和維壓時間是兩個重要影響因素，當(dāng)汽爆壓力為3.5 MPa，維壓時間4 min時，半纖維素降解率67.22%，木質(zhì)素降解率55.40%，纖維素降解率18.99%，綜纖維素降解率高達(dá)34.39%。

（3）蒸汽爆破預(yù)處理法具有降解效率高、操作簡單、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。

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