CN106281555A - 小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法 - Google Patents

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Abstract

小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，其特征在于：步骤如下：对小麦秸秆进行黄孢原毛平革菌固态发酵预处理，然后制备得到成型颗粒燃料，测定颗粒燃料的成型性能，得出燃料性能参数由预处理各影响因素表示的数学模型，通过优化计算得出小麦秸秆颗粒燃料性能最优时的黄孢原毛平革菌预处理条件。本发明的实验证明，通过控制小麦秸秆生物预处理条件，可在较低成型能耗下获得高质量颗粒燃料。本发明所述方法条件控制简单，获得的秸秆颗粒燃料密度大、强度高、耐久性好。

Description

小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法
技术领域
本发明属于生物与新能源技术领域，具体涉及一种小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法。
背景技术
我国农作物秸秆年产量超7×108t(参见文献1：谢光辉,王晓玉,任兰天.中国作物秸秆资源评估研究现状[J].生物工程学报,2010,26(7):855-863)，固化生产成型燃料是重要能源化利用途径(参见文献2：石元春.中国可再生能源发展战略研究丛书:生物质能卷[M].北京:中国电力出版社,2008.)。然而，秸秆富含由木质素、纤维素和半纤维素构成的木质纤维素结构，形成坚硬细胞壁(参见文献3：西尔韦拉,斯托亚诺夫,古萨如,等.二级植物细胞壁上的超分子相互作用:木质素的化学成分揭示分子的溶剂化作用理论[J].物理化学快报,2015,6(1):206-211.英文版出处：Silveira,R.,Stoyanov,S.,Gusarov,S.,etal.Supramolecular Interactions in Secondary Plant Cell Walls:Effect of LigninChemical Composition Revealed with the Molecular Theory of Solvation[J].TheJournal of Physical Chemistry Letters,2015,6(1):206-211.)，导致成型压力有时高达150MPa(参见文献4：卡里扬,莫里.玉米的致密化特征[J].燃料加工技术.2010,91(5):559-565.英文版出处：Kaliyan,N.,Morey,R.V..Densification Characteristics ofCorncobs[J].Fuel Processing Technology,2010,91(5):559-565.)，高压力产生的剧烈摩擦造成成型设备工作部件快速磨损，影响成型性能。生物预处理可改变秸秆物化特性，提高产品质量和成型设备耐久性，降低成型能耗，且对燃烧值影响较小(参见文献5：埃罗巴,提拜尔,搜克汉桑尼,等.低烈度条件下蒸汽爆破预处理和分解大麦秸秆[J].生物质与生物能源,2014,66:286-300.英文版出处：Iroba,K.,Tabil,L.G.,Sokhansanj,S.,etal.Pretreatment and Fractionation of Barley Straw Using Steam Explosion atLow Severity Factor[J].Biomass and Bioenergy,2014,66:286-300)。
Canam等在2013年的研究表明，生物预处理常用微生物中白腐菌降解木质素效果最好(参见文献6：卡纳姆,杜姆塞克斯,李洽得,等.白腐真菌:可持续的生物燃料生产的关键？[J].生物燃料,2013,4(3):247-250.英文版出处：Canam,T.,Dumonceaux,T.,Record,E.,et al.White-Rot Fungi:The Key to Sustainable Biofuel Production？[J].Biofuels,2013,4(3):247-250.)。目前，已知白腐菌有20余种，黄孢原毛平革菌Panerochaete chrysosporium(PC)是最重要、也是研究最多的一种，属非褶菌目、伏革科、显革菌属，其全基因组测序于2004年完成(参见文献7：冯冲凌.黄孢原毛平革菌及其关键功能酶对木质纤维素降解转化特性的研究[D].长沙:湖南大学,2011.)。郭晶晶等在2015年采用PC固态发酵黧蒴栲木屑，得出成型过程推动能耗降低32.19％，颗粒密度和强度均有提高(参见文献8：郭晶晶,袁兴中,李辉,等.固态发酵预处理木屑对其制备成型燃料的影响[J].生物工程学报,2015,31(10):1449-1458.)。Asgher等在2006年用PC固态发酵含水率为40％～90％的玉米芯，得出基质含水率70％时，木质素降解效果最好(参见文献9：阿塞尔,阿萨德,里格.利用基于固态生物工艺木质纤维素衬底的黄孢原毛平革菌来提高木质素过氧化物酶合成[J].世界生物科技,2006,22:449-453.英文版出处：Asgher,M.,Asad,M.J.,Legge,R.L..Enhanced Lignin Peroxidase Synthesis by PhanerochaeteChrysosporium in Solid State Bioprocessing of A Lignocellulosic Substrate[J].World J Microb Biotechnol,2006,22:449-453)。Shi等在2008年的研究表明，PC在含水率75％的棉花秸秆基质中，14d降解木质素27.6％，较含水率65％的基质中提高了7％；当含水率增至80％时，无显著变化(参见文献10：史,金,夏尔马.基于黄孢原毛平革菌固态培养的棉花秸秆微生物预处理[J].生物能源技术,2008,99:6556-6564.英文版出处：Shi,J.,Chinn,M.S.,Sharma-Shivappa,R.R..Microbial Pretreatment of Cotton Stalks bySolid State Cultivation of Phanerochaete Chrysosporium[J].Bioresour Technol,2008,99:6556-6564.)，上述试验给出了PC降解木质素效果较好时的原料含水率，不同秸秆存在差异。Reid在1989年的研究表明，白腐菌降解木质素的最优温度区间为25～30℃(参见文献11：里德.生物原料固态发酵[J].酶活工艺,1989,11:786-803.英文版出处：Reid,I.D..Solid-State Fermentations for Biological Delignification[J].EnzymeMicrob Technol,1989,11:786-803.)。黄慧等在2011年对粒径为40～50mm、10～30mm和5mm的玉米秸秆进行PC预处理，发现35、40和35d后木质素降解分别达到最大，为45.2％、35.6％和21.6％(参见文献12：黄慧,申源源,陈宏.黄孢原毛平革菌对玉米秸秆木质素的降解研究[J].西南大学学报(自然科学版),2011,33(7):93-97.)。上述研究探讨了原料粒径、发酵温度和时间对白腐菌降解木质素能力的影响，理论上，减小粒径可增大菌种与秸秆接触面积，提高降解能力。
PC预处理有利于秸秆固化成型，但原料粒径、含水率和菌种用量、发酵时间、温度因素对预处理综合作用效果还不明确，有必要进行PC预处理改进秸秆固化成型作用机理研究。
人们迫切希望得到一种技术效果更优的小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法。
发明内容
本发明目的是提供一种技术效果更优的小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法。
本发明针对小麦秸秆，采用PC(黄孢原毛平革菌)为生物预处理菌株，进行不同条件下的固态发酵预处理，并开展秸秆固化成型试验。通过测定秸秆木质纤维素微观结构和颗粒性能，获得颗粒燃料成型性能由影响因素表示的数学模型，通过优化计算,获得成型性能最优的秸秆生物预处理条件。最优预处理条件的获得将为类似生物质秸秆固化成型预处理提供理论指导,为高质量颗粒燃料的获得提供保证。
本发明一种小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，其特征在于：步骤如下：对小麦秸秆进行不同条件的黄孢原毛平革菌固态发酵预处理，然后制备得到成型颗粒燃料，测定颗粒燃料的成型性能，得出燃料性能参数由预处理各影响因素表示的数学模型，通过优化计算得出小麦秸秆颗粒燃料性能最优时的黄孢原毛平革菌预处理条件。
对小麦秸秆进行不同条件黄孢原毛平革菌固态发酵预处理的具体要求如下：将小麦秸秆切至50mm、100mm和150mm长，高压蒸汽灭菌，装入发酵袋；同时将黄孢原毛平革菌菌株接种在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上(PDA培养基)，培养5-7d(d即为“天”)长满孢子后，刮取孢子制成浓度为2×106个/mL的孢子悬液；然后分别将10mL、20mL和30mL悬液均匀喷洒到50g秸秆上，用蒸馏水调节含水率至60％、65％和70％(湿基)，分别放入22℃、28℃和34℃的培养箱中培养21d、28d和35d，各因素按BBD设计组合；
对小麦秸秆进行不同条件黄孢原毛平革菌固态发酵预处理之后，使用扫描电子显微镜观测不同预处理条件下秸秆外表面、内表面和横断面木质纤维素结构，获得结构分解度。为提高观测质量，在扫描前，使用镀膜仪对秸秆样品喷金处理；小麦秸秆外表面、内表面和横断面木质纤维素结构预处理前后分别如图1-图6所示。
获得结构分解度之后，利用安装在英斯特朗试验机上的单孔成型装置对预处理后小麦秸秆进行室温下压缩，竖向荷载为4kN，压缩速率为50mm/min，单次放入0.50-0.52g预处理秸秆，对同一预处理条件小麦秸秆重复5次压缩试验；
针对前述压缩试验进行颗粒密度及体积变化率测定，颗粒密度通过测量成型颗粒质量、长度和直径求得；颗粒成型14d后的体积变化率计算公式为
DS＝[(VOl14-VOl0)/VOl0]×100％，其中：DS为体积变化率，按照百分比衡量(即使用％符号)；VOl14为颗粒成型14d后体积，单位mm3；VOl0为颗粒刚成型时体积，单位mm3；
进行颗粒强度测定，据美国农业生物工程师学会(ASABE)标准，将秸秆颗粒切成厚约2.5mm完好试样，通过英斯特朗试验机上部压杆对其施加速度为1mm/min径向载荷，直至试样破坏；仅考虑沿加载方向被分为两半的试样用于强度计算，计算公式为
δx＝2F/πdl'，其中：δx为颗粒强度，单位MPa；F为试样断裂时所受荷载，单位N；d为试样直径，单位mm；l'为试样厚度，单位mm；
之后分析试验结果，通过数学建模和方差分析，建立小麦秸秆生物预处理后成型燃料性能参数由预处理影响因素表示的数学模型，优化求解获得最佳预处理条件和最优成型参数。
本发明的实验证明，通过控制小麦秸秆生物预处理条件，可在较低成型能耗下获得高质量颗粒燃料。本发明所述方法条件控制简单，获得的秸秆颗粒燃料密度大、强度高、耐久性好。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为小麦秸秆预处理前外表面扫描电镜图像(×2000倍)；
图2为小麦秸秆经黄孢原毛平革菌预处理后外表面的扫描电镜图像(×2000倍)；
图3为小麦秸秆预处理前内表面扫描电镜图像(×2000倍)；
图4为小麦秸秆经黄孢原毛平革菌预处理后内表面扫描电镜图像(×2000倍)；
图5为小麦秸秆横截面预处理前扫描电镜图像(×2000倍)；
图6为小麦秸秆经黄孢原毛平革菌预处理后横截面扫描电镜图像(×2000倍)。
具体实施方式
实施例1
一种小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，步骤如下：对小麦秸秆进行不同条件的黄孢原毛平革菌固态发酵预处理，然后制备得到成型颗粒燃料，测定颗粒燃料的成型性能，得出燃料性能参数由预处理各影响因素表示的数学模型，通过优化计算得出小麦秸秆颗粒燃料性能最优时的黄孢原毛平革菌预处理条件。
对小麦秸秆进行不同条件黄孢原毛平革菌固态发酵预处理的具体要求如下：将小麦秸秆切至50mm、100mm和150mm长，高压蒸汽灭菌，装入发酵袋；同时将黄孢原毛平革菌菌株接种在马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA培养基)上，培养5-7d(d即为“天”)长满孢子后，刮取孢子制成浓度为2×106个/mL的孢子悬液；然后分别将10mL、20mL和30mL悬液均匀喷洒到50g秸秆上，用蒸馏水调节含水率至60％、65％和70％(湿基)，分别放入22℃、28℃和34℃的培养箱中培养21d、28d和35d，各因素按BBD设计组合；
对小麦秸秆进行不同条件黄孢原毛平革菌固态发酵预处理之后，使用扫描电子显微镜观测不同预处理条件下秸秆外表面、内表面和横断面木质纤维素结构，获得结构分解度。为提高观测质量，在扫描前，使用镀膜仪对秸秆样品喷金处理；小麦秸秆外表面、内表面和横断面木质纤维素结构预处理前后分别如图1、2、3、4、5和6所示。
获得结构分解度之后，利用安装在英斯特朗试验机上的单孔成型装置对预处理后小麦秸秆进行室温下压缩，竖向荷载为4kN，压缩速率为50mm/min，单次放入0.50-0.52g预处理秸秆，对同一预处理条件小麦秸秆重复5次压缩试验；
针对前述压缩试验进行颗粒密度及体积变化率测定，颗粒密度通过测量成型颗粒质量、长度和直径求得；颗粒成型14d后的体积变化率计算公式为
DS＝[(VOl14-VOl0)/VOl0]×100％，其中：DS为体积变化率，按照百分比衡量(即使用％符号)；VOl14为颗粒成型14d后体积，单位mm3；VOl0为颗粒刚成型时体积，单位mm3；
进行颗粒强度测定，据美国农业生物工程师学会(ASABE)标准，将秸秆颗粒切成厚约2.5mm完好试样，通过英斯特朗试验机上部压杆对其施加速度为1mm/min径向载荷，直至试样破坏；仅考虑沿加载方向被分为两半的试样用于强度计算，计算公式为δx＝2F/πdl'，其中：δx为颗粒强度，单位MPa；F为试样断裂时所受荷载，单位N；d为试样直径，单位mm；l'为试样厚度，单位mm；
之后分析试验结果，通过数学建模和方差分析，建立小麦秸秆生物预处理后成型燃料性能参数由预处理影响因素表示的数学模型，优化求解获得最佳预处理条件和最优成型参数。
本实施例的实验证明，通过控制小麦秸秆生物预处理条件，可在较低成型能耗下获得高质量颗粒燃料。本实施例所述方法条件控制简单，获得的秸秆颗粒燃料密度大、强度高、耐久性好。
实施例2
将小麦秸秆切至50、100和150mm长，121℃高压蒸汽灭菌10分钟后，装入发酵袋。将黄孢原毛平革菌株接种在PDA培养基上，培养5-7d长满孢子后，刮取孢子制成浓度为2×106个/mL的孢子悬液，黄孢原毛平革菌株在使用前应置于-80℃甘油库中存储。将10mL悬液均匀喷洒到50g秸秆上，用蒸馏水调节含水率至60％、65％和70％(湿基)，分别放入22、28和34℃的培养箱中培养21、28和35d，各因素按BBD设计组合，正交试验影响因素编码水平如表1所示。
发酵完成后，将小麦秸秆在室温条件下干燥1-2d，使用粉碎装置将其制成1mm直径原料，用以制备固化成型颗粒燃料。
使用扫描电子显微镜观测不同预处理条件下粉碎后的秸秆外表面、内表面和横断面木质纤维素结构，获得结构分解度。为提高观测质量，在扫描前，使用镀膜仪对秸秆样品喷金处理。小麦秸秆外表面、内表面和横断面木质纤维素结构预处理前后分别如图1-图6所示。
利用安装在英斯特朗试验机上的单孔成型装置对预处理小麦秸秆进行室温下压缩，竖向荷载为4kN，压缩速率为50mm/min，单次放入0.50-0.52g预处理秸秆，对同一预处理条件小麦秸秆重复5次压缩试验。
颗粒密度及体积变化率测定，颗粒密度通过测量成型颗粒质量、长度和直径求得。颗粒成型14d后的体积变化率计算公式为DS＝[(VOl14-VOl0)/VOl0]×100％，其中，DS为体积变化率，％；VOl14为颗粒成型14d后体积，mm3；VOl0为颗粒刚成型时体积，mm3。
颗粒强度测定，据美国农业生物工程师学会(ASABE)标准，将秸秆颗粒切成厚约2.5mm完好试样，通过电子万能试验机上部压杆对其施加速度为1mm/min径向载荷，直至试样破坏，仅考虑沿加载方向被分为两半的试样用于强度计算，计算公式为δx＝2F/πdl'，其中，δx为颗粒强度，MPa；F为试样断裂时所受荷载，N；d为试样直径，mm；l'为试样厚度，mm。
分析试验结果，通过数学建模和方差分析，建立小麦秸秆生物预处理后成型燃料性能参数由预处理影响因素表示的数学模型，所得回归方程如表2所示。
按表3设定的小麦秸秆颗粒燃料成型试验中各性能参数的最优目标取值，优化求解最佳预处理条件和最优成型参数，所得结果如表4所示。
表1正交试验影响因素编码水平表
表2预处理后秸秆成型颗粒燃料性能参数由各影响因素表示的回归方程
x1＝发酵时间(days)；x2＝原料含水率(％)；x3＝原料粒径(mm)；x4＝发酵温度(℃).
表3小麦秸秆颗粒燃料成型试验中各性能参数的最优目标取值
性能参数 目标 重要性
初始密度(kg m-3) 最大 第四
两周后密度(kg m-3) 最大 第三
体积变化率(％) 最小 第二
拉伸强度(MPa) 最大 第一
表4颗粒燃料性能最优值及相应预处理条件

Claims (5)

1.小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，其特征在于：步骤如下：对小麦秸秆进行黄孢原毛平革菌固态发酵预处理，然后制备得到成型颗粒燃料，测定颗粒燃料的成型性能，得出燃料性能参数由预处理各影响因素表示的数学模型，通过优化计算得出小麦秸秆颗粒燃料性能最优时的黄孢原毛平革菌预处理条件。
2.按照权利要求1所述小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，其特征在于：对小麦秸秆进行不同条件黄孢原毛平革菌固态发酵预处理的具体要求如下：将小麦秸秆切至50mm、100mm和150mm长，高压蒸汽灭菌，装入发酵袋；同时将黄孢原毛平革菌菌株接种在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上，培养5-7d长满孢子后，刮取孢子制成浓度为2×106个/mL的孢子悬液；然后分别将10mL、20mL和30mL悬液均匀喷洒到50g秸秆上，用蒸馏水调节含水率至60％、65％和70％，分别放入20℃、28℃和34℃的培养箱中培养21d、28d和35d。
3.按照权利要求1或2所述小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，其特征在于：对小麦秸秆进行不同条件黄孢原毛平革菌固态发酵预处理之后，使用扫描电子显微镜观测不同预处理条件下秸秆外表面、内表面和横断面木质纤维素结构，获得结构分解度。
4.按照权利要求3所述小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，其特征在于：为提高观测质量，在扫描前，使用镀膜仪对秸秆样品喷金处理。
5.按照权利要求3所述小麦秸秆颗粒燃料的黄孢原毛平革菌最优预处理方法，其特征在于：获得结构分解度之后，利用安装在英斯特朗试验机上的单孔成型装置对预处理后小麦秸秆进行室温下压缩，竖向荷载为4kN，压缩速率为50mm/min，单次放入0.50-0.52g预处理秸秆，对同一预处理条件小麦秸秆重复5次压缩试验；
针对前述压缩试验进行颗粒密度及体积变化率测定，颗粒密度通过测量成型颗粒质量、长度和直径求得；颗粒成型14d后的体积变化率计算公式为：DS＝[(VOl14-VOl0)/VOl0]×100％；其中：DS为体积变化率，按照百分比衡量；VOl14为颗粒成型14d后体积，单位mm3；VOl0为颗粒刚成型时体积，单位mm3；
进行颗粒强度测定，据美国农业生物工程师学会标准，将秸秆颗粒切成厚2.5mm的完好试样，通过英斯特朗试验机上部压杆对其施加速度为1mm/min径向载荷，直至试样破坏；仅考虑沿加载方向被分为两半的试样用于强度计算，计算公式为：δx＝2F/πdl'；其中：δx为颗粒强度，单位MPa；F为试样断裂时所受荷载，单位N；d为试样直径，单位mm；l'为试样厚度，单位mm；
之后分析试验结果，通过数学建模和方差分析，建立小麦秸秆生物预处理后成型燃料性能参数由预处理影响因素表示的数学模型，优化求解获得最佳预处理条件和最优成型参数。
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CN108690674A (zh) * 2018-05-24 2018-10-23 安徽省齐岗农业发展有限公司第分公司 一种黧蒴栲木屑颗粒燃料的预处理方法
CN112481312A (zh) * 2020-12-14 2021-03-12 西南交通大学 一种提高秸秆产甲烷潜力的生物预处理方法

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郭晶晶等: "固态发酵预处理木屑对其制备成型燃料的影响", 《生物工程学报》 *

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