以生物精炼的概念用小麦秸秆进行乙醇、氢气及沼气生产
摘要
在生物乙醇，生物制氢和小麦秸秆沼气生产生物炼制的框架内考察。 起初，小麦秸秆的被水热解放到富含纤维素和半纤维素纤维含量丰富的液体部分(水解)。 纤维素酶水解和发酵后产生0.41 g-乙醇/g-葡萄糖，而暗水解发酵产生一百七十八点零毫升- H2/克糖类。 来自生物乙醇和生物制氢过程的废水被进一步用于生产的产量和0.381米0.324(3)/公斤(VS)的挥发性固体(添加)，分别为甲烷。 此外，六个不同的小麦秸秆对生物燃料生产设想评价结果表明，无论是小麦秸秆沼气生产或多种燃料的生产使用是最有效的积极过程，如生物乙醇发酵时单糖的C6相比，单一燃料生产。 因此，多种小麦秸秆生产生物燃料可以增加物质和能量的效率和更经济的大概可以生物质利用过程。
1、 介绍
农业和森林管理中的木质材料是己糖C6和戊糖C5的最大来源，这些糖可能是生物燃料生产、化工生产和其他经济生产的副产品。这一地区的工作进程不仅将食物生产和生物燃料的生产分开,减少二氧化碳的排放，而且保证更稳定且安全的能源供应尤其是运输部门。全球性在木质材料中生产生物燃料估计约30EJ/年，比世界范围内使用总能量多400EJ/年(McKendry,2002)。
多种产品和副产品生产的生物精炼例如生物燃料、热能和/或电能在近几年来倍受关注(chen 等，2005;zhang，2008)。在一次生物精炼中，单位范围的生物量通过一种综合的方法能被转化为有用的生物材料和能量载体，从而能最大限度地利用了经济价值,同时减少生物量使用浪费(Thomsen,2005)。基于木质纤维的生物精炼的多种生物燃料的发展为提高材料和能源的利用效率提供了重大可能，同时降低生物需求量来减少温室气体排放(sheenhan 等，2003)。
木质纤维由纤维素(40%-50%)，半纤维素(25%-35%)，木质素(15%-20%)组成，非常耐酶消化。因此,预处理通常是必要的,就是利用反应炉预处理破坏植物细胞壁(木质素),从而改善酶消化率(Fan 等，2006)。这种生物热预处理通常导致两种结果:由纤维素(己糖:葡萄糖)(Klinke 等，2002)组成的固体阶段和由半纤维素(戊糖:木糖和树胶醛糖)(Bercier 等，2007)组成的液体阶段(水解液)。己糖可以被有效转化为生物乙醇，而且这一过程被认为是高收益(大约0.4-0.51g乙醇/g葡萄糖)和高生产力以酿酒酵母或重组啤酒酵母算(相当于1.0g/L.h)(Hjersted 和 Henson,2006;Ohgren 等,2006)。Wild.S啤酒酵母菌不能利用戊糖。几个重组候选人提出了关于戊糖发酵的解决方案(Jin 和 Jeffries,2004;Ruohonen
等，2006;Chu 和 Lee,2006)。此外，许多乙醇菌株都被报道(Ahring 等 1999Nigam,2001;Georgieva 和 Ahring,2007)。与此同时,这些生物中没有与被强烈需求的S啤酒酵母和改进体等效的。这些微生物通常是低产的(举例 Thermoanaerobacter mathranii
的产量为0.10g/L.h),预处理期间的水解液中低酒精浓度和高抑制剂敏感度(Torry-Smith 等，2003)。因此，利用半纤维素仍是一个有待解决的挑战。利用半纤维素的一种前景是生物制氢。通过厌氧发酵进行糖类生物制氢被认为是一个非常有前途、环保、可行性高的过程。(Hawkes 等，2007)。利用戊糖进行生物制氢的研究被报道(Lin 等，2008;Lo 等,2008;和 Wu 等，2008)。喜温解糖球菌能成功地将戊糖转变为氢以334.7ml H2/g 糖，理论上相当于497.6ml H2/g 糖的67%(Kadar 等，2004)。
生物精炼的另一个重大问题，是如何控制大片污水产生过程。在生物乙醇和生物制氢过程产生的废水中除去残余有机物的一种可持续方案是将它们转化为沼气，并将残余废水作为农业
用地的肥料。
利用秸秆生产生物乙醇、生物沼气以及生物氢这一方法已被已被证实是成功的(Linde 等，2007;Fan 等，2006)。近来，生物乙醇与其他生物燃料例如富含能量植物像黑麦、油菜和豆类共同生产已被证实成功。然而，研究仍然需要多种生物燃料(生物乙醇，生物氢，生物沼气)等的生产，通过农业残余物进行生物精炼，有助于评价新型生物燃料。本研究旨在探讨利用麦秸生产生物乙醇(从纤维素中提取)，生物氢(从半纤维素)，生物沼气(从木质素)的可能性，运用综合生物精炼来提高生物质的整体效率。麦秸及其副产品在生物乙醇，生物氢，生物沼气的生物精炼过程中产生并以生物精炼概念表征。麦秸及其副产品/废物中的甲烷的功用在一次生物精炼过程中被确定。六个不同麦秸转化为生物燃料过程的输出能量被用于数量上来估计评价麦秸能量的利用效率。
2. 方法 2.1. 原材料
麦秸(小麦)在丹麦生长和成熟于夏季，这种麦秸来源于丹麦国家实验室和丹麦科技大学。这种麦秸被收割机切成1-5厘米的碎片，贮藏于室温的容器中以待进一步应用。为了用于化学分析和沼气生产试验，麦秸被磨碎成小于1厘米的碎片。干物质(DM)含量为90-91%(w/w)。未处理过的麦秸的化学组成见表格1。
2.2. 麦秸的预处理
麦秸的热预处理在别处的试点植物中(100kg/h容量)进行试验(Tomenson 等，2008)。麦秸要以120-150kg-DM/h进入三个连续反应器，则需要水以400-600L/h的流量进入反应器。操作的第一步是浸泡，温度为80?，停留时间为6分钟。第二步浸泡过的麦秸之后以大约180?被加热15分钟，再接下来以190?加热3分钟。第三阶段，麦秸的热预处理会产生一部分液体和一部分固体，液体被称为水解液，主要包含半纤维素，而固体中富含纤维素。这些液体与固体部分均由丹麦Dong
以生物精炼的概念用小麦秸秆进行乙醇、氢气及沼气生产
