秸秆资源预处理研究进展.docx

秸秆资源预处理研究进展随着经济和社会的发展人类社会对能源的需求越来越多能源及能量饲料的短缺已经成为世界各国面临的一个重大问题。合理利用秸秆资源能够实现可再生资源的利用缓解能源危机保护环境实现农业和经济的可持续发展是国家发展的一项重要任务。然而植物细胞壁的复杂结构限制了其在畜牧业生产中的应用。物理处理是秸秆资源利用的基本方法酸碱等化学处理是畜牧业生产中常用的预处理方法蒸汽爆破预处理可以提高动物对谷物秸秆的消化率。生物处理是一种安全、环境友好的有效预处理方法。因此采用适当的预处理方法在秸秆资源的利用过程中发挥着重要作用。本文分析了秸秆资源的现状及营养特性并探讨了国内外秸秆资源的预处理方法为秸秆资源的开发利用及节粮型畜牧业的发展提供参考。1.秸秆资源现状木质纤维素类生物资源是世界上最多的可再生资源全世界每年的产量估计为1010吨其中秸秆占可利用生物质产量的70%左右。在中国农作物秸秆的年产量为8.42×108吨而且以1.3%的速度递增在农作物秸秆中玉米秸秆所占的比例最大为24%目前国内秸秆中直接用作生活燃料的约占20%用作肥料还田的约占15%用作饲料的约占15%用作工业原料的约占2%其余被废弃或直接燃烧的约占48%这造成了极大的资源浪费和环境污染。国内外的专家学者对秸秆资源经济有效的利用方法进行了大量研究但到目前为止国内对秸秆资源在饲料中的应用研究相对较少。2.秸秆的生物质特性及营养组成2.1秸秆的生物质特性木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素三大类主要的聚合物组成。一般条件下纤维素不易溶于水、有机溶剂、碱以及稀无机酸溶液仅在不加热的条件下用浓无机酸处理或者在高温高压条件下用稀无机酸处理纤维素才被分解为单糖。半纤维素是一类复杂的碳水化合物的组成结构草类和秸秆中的主要半纤维素是木聚糖木材中的主要半纤维素是葡甘露聚糖。在细胞壁中半纤维素位于许多纤维素和木质素之间组成纤维素、半纤维素和木质素的紧密结构。半纤维素在酸性和碱性环境中最容易被提取而葡甘露聚糖在酸性环境下几乎不能被提取出来必须在强碱的作用下才能分离。在木质纤维素的所有结构中半纤维素是对热化学因素最敏感的成分。木质素在植物细胞壁中的含量仅次于纤维素和半纤维素是一类由苯丙烷结构单元组成的无定型复杂复合物木质素在植物细胞壁中起着结构支撑保持细胞壁的不通透性抵抗微生物攻击和抗氧化等作用所有这些特性使木质素成为植物细胞壁中最难降解的成分。木质素和半纤维素形成牢固结合层紧紧地包围着纤维素阻碍酶和其他物质与纤维素的接触。因此在木质纤维素的预处理过程中木质素的去除是非常重要的。2.2秸秆的营养组成秸秆是脱粒后成熟植株的残余物。当植物成熟时在茎和叶中只剩下少量的蛋白质、脂肪、类脂肪和易消化的碳水化合物家畜营养所必须的各种矿物质的含量显著减少。维生素特别是胡萝卜素几乎全部被破坏。未经处理的秸秆适口性较差体积较大且动物的消化利用率较低。秸秆的化学成分主要是纤维性物质以干物质计中性洗涤纤维（ND）约为70%～80%酸性洗涤纤维（ADF）约为50%～60%粗蛋白含量约为3%～6%。3.秸秆资源的预处理研究进展秸秆预处理的目的是提高秸秆的消化率使其在水解过程中能够释放出较多的糖类。目前许多秸秆预处理方法已经被研究和应用秸秆预处理过程要求能够有效提高秸秆的消化率并且产生较少的抑制因子。秸秆的处理方法有物理处理、化学处理、物理化学综合处理和生物处理法在实际生产中通常采用不同方法的组合来获得最大的糖释放量、最低的毒素产量和能量消耗。3.1物理处理物理处理能够降低秸秆的尺寸提高秸秆的可接触面积降低秸秆纤维素的晶度和聚合度提高后处理过程的效率。物理预处理方法包括机械粉碎处理、热处理、微波处理等。机械粉碎是降低秸秆尺寸的最基本的预处理步骤能够有效提高后续处理的效率粉碎处理通常是切断、粉碎和磨碎等综合处理处理后的最终尺寸不尽相同。秸秆的水分含量、成分以及最终粉碎的尺寸均影响能量的需要和后续处理效率原料的水分含量越高粉碎的尺寸越小需要消耗的能值越高；热处理是秸秆预处理的常用方法。热处理的温度超过150℃～180℃秸秆中的物质开始溶解半纤维素首先释放出来接着部分木质素也开始溶解；微波作为一种方便、高效和清洁的能源不同于传统的热处理方法对于某些化学反应可以大幅提高反应速度已广泛地用于有机合成、化学催化及高分子聚合等反应过程。运用微波对植物纤维原料进行预处理可降解木质素和半纤维素改变植物纤维原料超分子结构使纤维素结晶区尺寸发生变化提高植物纤维素酶的水解效率。3.2化学处理秸秆的化学预处理包括酸处理、碱处理以及H2O2和SO2等氧化剂的处理。在所有这些方法中稀H2SO4预处理是被广泛应用的方法。酸