蒸汽爆破預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、木質素含量；采用蒸汽爆破法對香蕉莖稈進行預處理，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、木質素組分的降解程度，分析蒸汽爆破預處理優缺點。試驗結果表明，經過蒸汽爆破預處理后，香蕉莖稈的組分被不同程度破壞，當壓力為3.5 MPa，維壓時間為4 min時，香蕉莖稈中半纖維素含量由預處理前13.33%降至4.36%，降解率高達67.29%，纖維素含量由48.33%降至39.15%，降解率為18.99%，木質素含量由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%。說明蒸汽爆破技術對香蕉莖稈固體剩余物的預處理效果比較顯著，有一定的優越性。

關鍵詞 蒸汽爆破 ；預處理 ；香蕉莖稈 ；降解率

分類號 S141.4；TQ353.421

香蕉莖稈是熱區主要生物質秸稈資源之一，數量巨大，季節性不明顯，是熱區生物質能源化利用的優質原料。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，造成大量資源浪費和熱區農業生態環境污染[1]。香蕉莖稈固體剩余物的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，占莖稈固體總量的76%左右，纖維素、半纖維素、木質素相互交聯，使得纖維素及其它可發酵物質難以被厭氧微生物或酶降解利用。直接進行厭氧消化制備沼氣，會出現啟動慢、效率低、轉化利用率低的問題。莖稈預處理技術可破壞纖維素、半纖維素和木質素之間的連接，并對其進行一定程度的預降解，有效提高莖稈厭氧消化性能。常用預處理方法主要有物理法[2-7]、化學法[8-10]、生物法[11-13]以及聯合法[14-17]，物理法包括機械粉碎、熱液分解、蒸汽爆破、微波和超聲波處理等，具有污染小、操作簡單等優點，缺點是能耗大，成本高；化學法主要包括酸法、減法、氧化法等，化學法預處理效率高，但化學廢液易造成環境污染，對設備的要求較高，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，難以達到工業化的要求；聯合法是兩種或者幾種方法的有機結合，具有兩者的優點，但一般工序復雜，成本較高。

國內外很多學者研究表明，蒸汽爆破法預處理秸稈具有操作簡單、降解效果好等諸多優點[5-7]，是一項綠色、高效、節能的預處理手段。本文考察蒸汽爆破對香蕉莖稈半纖維、纖維素、木質素的降解能力，分析預處理效果，以期為香蕉莖稈資源進一步生物轉化奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料

香蕉莖稈取自海南省澄邁縣福山鎮，自然風干后剪碎至1～2 cm2大小備用。

1.1.2 試驗裝置

蒸汽爆破裝置：海口實驗站蒸汽爆破室。

1.1.3 測試儀器

主要試驗儀器包括萬能高速粉碎機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）、電熱鼓風干燥箱DHG-9070A（上海一恒科學儀器有限公司）、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UV-1800（島津中國有限公司）、水循環式多用真空泵SH2-D（鞏義市予華儀器有限責任公司）、恒溫水浴鍋DK-S26（上海精宏實驗設備有限公司）、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、木質素含量采用王萬玉法[19]進行測試，測試3次取平均值。

1.2.2 預處理

蒸汽爆破預處理：先將蒸汽爆破裝置啟動進行預熱，取適量原料裝入汽爆罐，待罐內蒸汽壓力、維壓時間達到試驗所需時，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，纖維內部及周圍熱蒸汽的高速瞬間流動，使纖維發生一定程度上的機械斷裂，破壞纖維素內部結構。由于水蒸汽和熱的聯合作用產生纖維原料的熱降解。

2 結果與分析

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、揮發性固體含量較低。香蕉莖稈中纖維素的質量分數最高，約為48.33%，其次是木質素和半纖維素，分別為14.62%和13.33%，木質纖維總體含量為76.28%。香蕉莖稈的理化特性分析數據表明，香蕉莖稈固體原料具備生物轉化的潛力。

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，半纖維素和木質素降解程度更為顯著，纖維素降解程度較低，當汽爆壓力為3.5MPa時，半纖維素、纖維素、木質素降解率最高，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28.13%。說明汽爆壓力是蒸汽爆破預處理過程中重要影響因素，氣爆壓力越大，單位時間內滲入到纖維內部的蒸汽量越大，瞬間釋放時，蒸汽對原料做功越大，對原料的降解作用越強。

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、纖維素和木質素含量變化的影響如圖4所示。

由圖4可知，當氣爆壓力同為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，當維壓時間4 min時，半纖維素、纖維素、木質素分別由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34.39%。延長維壓時間木質素的降解率繼續提高，但由于對半纖維素、纖維素的降解率反而升高，導致綜纖維素降解率略有升高。可能是由于經過4 min的時間，熱蒸汽通過原料空隙進入到原料內部已經達到平衡，繼續延長維壓時間熱蒸汽不會繼續流向原料內部，當高壓蒸汽瞬間釋放時，滲入原料內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。

氣爆預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、木質素的總體含量降解程度最大。

3 結論與討論

（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量分數最高，為48.33%，其次是木質素和半纖維素，分別為14.62%和13.33%，木質纖維總體含量為76.28%。香蕉莖稈固體原料具備生物轉化的潛力。

（2）蒸汽爆破預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%，木質素降解率55.40%，纖維素降解率18.99%，綜纖維素降解率高達34.39%。

（3）蒸汽爆破預處理法具有降解效率高、操作簡單、對環境無污染等優點。

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