淺談典型農業生物質化學特性的比較
引言
生物質能源是人類最早的能源之一，尤其是在農村地區通常是非常容易獲得的能源。生物質在全球能源資源中排名第4，為人類需要提供了約9%-14%的能源;尤其在發展中國家，生物質能源尤為重要，提供了近35%-40%的能源。生物質在生長過程中吸收CO2，燃燒過程中釋放CO2，可達到氣體排放的平衡。生物質燃料的燃燒速度大大高於煤，且生物質有可再生、環境友好等優點。利用生物能源可以擴充套件來滿足日益增長的能源需求，減少二氧化碳的排放和全球變暖，對於城市和農村廢棄物的處理非常有益處。
我國生物質原料主要來自農林產業，分佈廣泛，有草、灌、喬，糖及澱粉等。木質纖維素生物質主要是一些農作物秸稈，如水稻秸稈、玉米秸稈、麥稈、油菜秸稈和棉花秸稈等。系統識別和量化生物質化學成分組成，是生物質原料應用最重要的步驟。關於秸稈原料熱解或發酵的研究較多。農作物秸稈作為生物質能的原料，可以用來製備生物炭和生物油。近年來，對於洗滌纖維和粗蛋白的研究，主要是針對其被微生物發酵後可以更好地被用作飼料等，而對於不同地區或不同種類秸稈的化學特性的比較的研究較少。為此，針對華東地區3個省市4種常見的生物質(水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈)的化學特性進行比較和分析，以期為生物質合適的能源化利用方式提供參考。
1.材料與方法
1.1試驗材料採集
選取來自安徽省、江西省和上海市的水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈共計127個樣品，不同地塊或不同品種的樣品記作不同的樣品。根據當地種植區域分佈及樣品種類選擇取樣點，保證取樣科學、具有代表性，採集不同品種的樣品以保證實驗資料適用於本樣品的全部品種。水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈。樣品採集時間選擇在該作物的收穫期，在每個地塊根據地形科學布點，每個樣品採集3 - 5 kg，使用己做好標記的繩子將樣品捆紮結實;同時，完成現場記錄表的填寫，將樣品的採集時間、地點、樣品品種、種植方式、收穫季節等資訊記錄完整。
1.2試驗材料製備
將採集好的秸稈按種類分類標記，風乾後使用枝婭粉粹機(福輪力特112M-4)進行粗粉，得到粗粉樣品放入45℃烘箱中烘乾;然後用中藥粉碎機(大德藥機DFY-500)中進行細粉，細粉樣品再經40目篩分(粒徑0. 63 mm);樣品製備完成後裝於自封袋中，做好標籤，放在乾燥器中儲存，用於試驗測試。
1.3試驗方法
以製備好的秸稈粉末樣品為原料，採用四分法選取樣品進行纖維素(cellulose )、半纖維素(hemi-cellulose)、木質素(lignin )、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維及粗蛋白等化學性質的測定。各指標的測定多采用國家標準、美國材料與試驗協會ATSM標準和AOAC國際標準。對水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈進行化學特性測定。
1)纖維素、半纖維素:纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，半纖維素是由幾種不同型別的單糖構成的異質多聚體。這些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖等。本測試採用高效液相色譜(Waters 1515 -2414 )法透過測量糖的含量來測定纖維素和半纖維素的含量。
2)木質素:採用紫外分光光度法測得酸性可溶性木質素，用灼燒法(575℃)測差重得到不可溶性木質素、木質素的總含量及兩部分的總和。
3)中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維:用纖維測定儀測定。
4)粗蛋白:用凱氏定氮儀測定。
1.4試驗儀器
枝婭粉碎機、中藥粉碎機、天平、VELP纖維測定儀FIWE 6、烘箱、馬弗爐、Waters 1515-2414高效液相色譜儀、UV-1800型紫外分光光度計、凱氏定氮儀等。
1.5資料分析方法
採用Microsoft Excel 2010, IBM SPSS Statistics 20單因素方差分析等方法。
2結果與分析
2.1纖維素、半纖維素和木質素含量變化
纖維類物質包括纖維素、半纖維素和木質素。纖維類物質含量的高低可以作為生物質能原料選擇的重要依據。水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈的纖維類物質含量。
由於秸稈中的木質纖維素含量較高，不能被厭氧菌有效地降解，相對於畜禽糞便等易消化的物料，秸稈製取沼氣技術要困難得多，尤其是對於木質素含量最高的棉花秸稈。但我國秸稈資源量巨大，農村沼氣池的推廣工作開展順利。為解決秸稈難以降解制取沼氣的問題，需要解決一些關鍵性的技術問題。首先，需要研究各種預處理方法，透過預處理提高秸稈的可生物消化效能、消化效率和產氣率;其次，根據秸稈體積大、密度小、不具有流動性等特點，可研究適合其物料特性的專用高效厭氧消化反應器，並研究出較優的反應器執行引數.相比沼氣，秸稈在生物質熱解或炭化時，纖維素和半纖維素主要產生揮發性物質，而木質素主要分解為焦炭。棉花秸稈的`木質素含量最高，不適合熱裂解液化產生生物油，其次為玉米秸稈。
有研究表明，纖維素和半纖維素發生熱化學氣化反應時碳的轉化率高，可轉化為且提高溫度，有利於提高CO含量和降低CO2含量;而木質素中碳的轉化率低，多轉化為，此過程主要發生在800℃，且CH2的生成量受溫度影響大。
木質纖維素原料生產乙醇的過程主要分為兩步:纖維素和半纖維素水解為可發酵性糖，糖發酵成醇。水解過程通常用酸或酶作為催化劑;而木質素本身結構很穩定，很難被一般的溶劑溶解，因此木質纖維素生物質製取乙醇的過程中，木質素一般需要去除。纖維素/半纖維素的比值大更適合生產乙醇，因此水稻秸稈更適合生產乙醇。
2.2化學分析
秸稈作為飼料時，其營養品質主要取決於秸稈中粗蛋白、中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌洗維(ADF)的含量。對水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈進行了中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和粗蛋白的測定。
玉米中洗滌纖維和粗蛋白含量與文獻中範圍一致。其中，品種不同，含量有所差異。油菜秸稈中粗蛋白含量文獻值稍高，可能是由於不同地區粗蛋白含量有所差異。水稻秸稈和棉花秸稈中粗蛋白的含量與文獻含量範圍一致.
秸稈經過酵母菌或其他微生物發酵，粗蛋白含量大大提高，同時提高粗纖維的降解率，從而更加適於作畜禽飼料.
3結論
1)纖維素/半纖維素的比值大更適合生產乙醇，因此水稻秸稈更適合生產乙醇。
2)纖維素和半纖維素發生熱化學氣化反應時碳的轉化率高，可轉化為CO,CO2;木質素中碳的轉化率低，多轉化為CHQ。因此，玉米秸稈熱化學轉換時更易轉化為CU, CO2;棉花秸稈熱化學轉換時更易轉化為C HQ。
3)棉花秸稈中木質素含量最高，不適合熱裂解液化產生生物油;其次為玉米秸稈。
4) 4種秸稈的平均熱值排序為:棉花秸稈玉米秸稈水稻秸稈油菜秸稈。油菜秸稈中K, Na, Ca含量偏高，如果用於直燃發電時，既不能產生較多熱量，又容易使鍋爐結渣，因此不適於直燃發電。