蒸汽爆破预处理降解香蕉茎秆纤维素组分的研究

郑丽丽 韩冰莹 盛占武 陈娇 李奕星 赵立欣

摘 要 分析测试香蕉茎秆总固体含量（TS）和挥发性固体含量（VS）及香蕉茎秆固体剩余物中纤维素、半纤维素、木质素含量；采用蒸汽爆破法对香蕉茎秆进行预处理，探讨不同压力及维压时间下对香蕉茎秆中半纤维素、纤维素、木质素组分的降解程度，分析蒸汽爆破预处理优缺点。试验结果表明，经过蒸汽爆破预处理后，香蕉茎秆的组分被不同程度破坏，当压力为3.5 MPa，维压时间为4 min时，香蕉茎秆中半纤维素含量由预处理前13.33%降至4.36%，降解率高达67.29%，纤维素含量由48.33%降至39.15%，降解率为18.99%，木质素含量由14.62%降至6.52%，降解率为55.40%，总体含量由76.28%降至50.03%，降解率为34.41%。说明蒸汽爆破技术对香蕉茎秆固体剩余物的预处理效果比较显著，有一定的优越性。

关键词 蒸汽爆破 ；预处理 ；香蕉茎秆 ；降解率

分类号 S141.4；TQ353.421

香蕉茎秆是热区主要生物质秸秆资源之一，数量巨大，季节性不明显，是热区生物质能源化利用的优质原料。长期以来，由于缺乏足够的重视与投入，香蕉茎秆资源利用率十分低下，造成大量资源浪费和热区农业生态环境污染[1]。香蕉茎秆固体剩余物的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，占茎秆固体总量的76%左右，纤维素、半纤维素、木质素相互交联，使得纤维素及其它可发酵物质难以被厌氧微生物或酶降解利用。直接进行厌氧消化制备沼气，会出现启动慢、效率低、转化利用率低的问题。茎秆预处理技术可破坏纤维素、半纤维素和木质素之间的连接，并对其进行一定程度的预降解，有效提高茎秆厌氧消化性能。常用预处理方法主要有物理法[2-7]、化学法[8-10]、生物法[11-13]以及联合法[14-17]，物理法包括机械粉碎、热液分解、蒸汽爆破、微波和超声波处理等，具有污染小、操作简单等优点，缺点是能耗大，成本高；化学法主要包括酸法、减法、氧化法等，化学法预处理效率高，但化学废液易造成环境污染，对设备的要求较高，生物法主要研究的有真菌、基因工程菌、酶类等，生物法虽然清洁，但周期长，处理效率低，难以达到工业化的要求；联合法是两种或者几种方法的有机结合，具有两者的优点，但一般工序复杂，成本较高。

国内外很多学者研究表明，蒸汽爆破法预处理秸秆具有操作简单、降解效果好等诸多优点[5-7]，是一项绿色、高效、节能的预处理手段。本文考察蒸汽爆破对香蕉茎秆半纤维、纤维素、木质素的降解能力，分析预处理效果，以期为香蕉茎秆资源进一步生物转化奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料

香蕉茎秆取自海南省澄迈县福山镇，自然风干后剪碎至1～2 cm2大小备用。

1.1.2 试验装置

蒸汽爆破装置：海口实验站蒸汽爆破室。

1.1.3 测试仪器

主要试验仪器包括万能高速粉碎机DFY-500C（上海比朗仪器有限公司）、G/540D型全自动高压灭菌锅（厦门致微仪器有限公司）、电热鼓风干燥箱DHG-9070A（上海一恒科学仪器有限公司）、马弗炉SX2-4-10（上海叶拓仪器仪表有限公司）、紫外可见分光光度计UV-1800（岛津中国有限公司）、水循环式多用真空泵SH2-D（巩义市予华仪器有限责任公司）、恒温水浴锅DK-S26（上海精宏实验设备有限公司）、电子天平（精度为0.01 g）、3号玻璃砂芯漏斗、容量瓶、坩埚、锥形瓶等。

1.2 方法

1.2.1 香蕉茎秆理化特性测试

TS、VS重量法[18]分析，纤维素、半纤维素、木质素含量采用王万玉法[19]进行测试，测试3次取平均值。

1.2.2 预处理

蒸汽爆破预处理：先将蒸汽爆破装置启动进行预热，取适量原料装入汽爆罐，待罐内蒸汽压力、维压时间达到试验所需时，瞬间释放。取汽爆后原料测试其纤维素、半纤维素、木质素的含量，分析不同条件下各组分降解效率。蒸汽爆破原理示意图如图2所示。

在高压蒸汽释放时，已渗入纤维内部的热蒸汽分子以气流的方式从较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来，纤维内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动，使纤维发生一定程度上的机械断裂，破坏纤维素内部结构。由于水蒸汽和热的联合作用产生纤维原料的热降解。

2 结果与分析

2.1 香蕉茎秆理化性能分析

由表1可知，香蕉茎秆原料中TS约63.60%，VS约58.63%，与玉米秸秆、小麦秸秆等大宗作物秸秆相比，香蕉茎秆原料中总固体含量、挥发性固体含量较低。香蕉茎秆中纤维素的质量分数最高，约为48.33%，其次是木质素和半纤维素，分别为14.62%和13.33%，木质纤维总体含量为76.28%。香蕉茎秆的理化特性分析数据表明，香蕉茎秆固体原料具备生物转化的潜力。

2.2 不同汽爆压力对香蕉茎秆主要成分的影响

不同汽爆压力对香蕉茎秆的半纤维素、纤维素和木质素含量变化的影响如图3所示。

由图3可知，与未处理组相比，不同汽爆压力预处理的香蕉茎秆原料各纤维组分均有不同程度的降解作用，汽爆压力为1.5 MPa时，香蕉茎秆原料中半纤维素含量由13.33%降至10.53%，纤维素含量由48.33%降至45.88%，木质素含量由14.62%降至12.61%，随着汽爆压力的增大，原料中各纤维组分含量均呈下降趋势，半纤维素和木质素降解程度更为显著，纤维素降解程度较低，当汽爆压力为3.5MPa时，半纤维素、纤维素、木质素降解率最高，分别由13.33%、48.33%、14.62%降至5.42%、42.16%、7.24%，降解率分别为59.34%、12.77%、50.48%，总体含量从76.28%降至54.82%，综纤维素降解率高达28.13%。说明汽爆压力是蒸汽爆破预处理过程中重要影响因素，气爆压力越大，单位时间内渗入到纤维内部的蒸汽量越大，瞬间释放时，蒸汽对原料做功越大，对原料的降解作用越强。

2.3 不同维压时间对香蕉茎秆主要成分的影响

保持汽爆压力为3.5 MPa，改变不同维压时间1、2、3、4 和5 min，对香蕉茎秆的半纤维素、纤维素和木质素含量变化的影响如图4所示。

由图4可知，当气爆压力同为3.5 MPa的情况下，随着维压时间的延长，香蕉茎秆固体原料各纤维组分均有较大程度的降解作用，当维压时间4 min时，半纤维素、纤维素、木质素分别由13.33%、48.33%、14.62%降至4.36%、39.15%、6.52%，半纤维素降解率67.29%，木质素降解率55.40%，纤维素降解率18.99%，综纤维素含量由76.28%降至50.03%，降解率最高达34.39%。延长维压时间木质素的降解率继续提高，但由于对半纤维素、纤维素的降解率反而升高，导致综纤维素降解率略有升高。可能是由于经过4 min的时间，热蒸汽通过原料空隙进入到原料内部已经达到平衡，继续延长维压时间热蒸汽不会继续流向原料内部，当高压蒸汽瞬间释放时，渗入原料内部的蒸汽对原料做功不再增加，因此对原料的降解能力不再增强。

气爆预处理的最适条件为气爆压力3.5 MPa，维压时间4 min，此时香蕉茎秆中半纤维素、纤维素、木质素的总体含量降解程度最大。

3 结论与讨论

（1）香蕉茎秆固体剩余物TS约63.60%，VS约58.63%，香蕉茎秆固体剩余物中纤维素的质量分数最高，为48.33%，其次是木质素和半纤维素，分别为14.62%和13.33%，木质纤维总体含量为76.28%。香蕉茎秆固体原料具备生物转化的潜力。

（2）蒸汽爆破预处理对香蕉茎秆固体剩余物各组分有显著的降解作用。蒸汽压力和维压时间是两个重要影响因素，当汽爆压力为3.5 MPa，维压时间4 min时，半纤维素降解率67.22%，木质素降解率55.40%，纤维素降解率18.99%，综纤维素降解率高达34.39%。

（3）蒸汽爆破预处理法具有降解效率高、操作简单、对环境无污染等优点。

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