典型農業(yè)生物質化學特性的比較與分析

侯　芳

典型農業(yè)生物質化學特性的比較與分析

侯芳

（濟源職業(yè)技術學院河南濟源459000）

對農業(yè)生物質化學特征進行比較分析，有利于幫助推斷農業(yè)生物質的能源利用途徑，提升對農業(yè)生物質的利用效率。文章選擇秸稈這一具有代表性的典型農業(yè)生物質進行比較，分析不同地區(qū)的水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈在化學性質上的差異，從而為相關地區(qū)農村生物質能源利用的改善提供理論借鑒。

農業(yè)生物質；化學特性；比較；分析

生物質在人類能源體系中占據著重要的位置，相關資料顯示生物質能源是僅次于石油、煤、天然氣的第四大能源類型。生物質能源為人類的發(fā)展提供了將近10 %的能源，對于發(fā)展中國家來說，生物質是比較理想的能源類型。這主要是因為生物質能源在農村地區(qū)獲取極為便利，而且生物質燃料形成和燃燒全過程基本實現氣體排放平衡。此外，生物質能源在燃燒速度方面也不遜色于煤，所以生物質燃料作為能源擁有可再生、友好等特點。因此，針對典型農業(yè)生物質化學特性的比較和分析是現實意義強烈的研究活動，可以對社會經濟發(fā)展和生活環(huán)境改善發(fā)揮切實有效的作用。

1 農業(yè)生物質分析

我國分布有廣泛的生物質原料資源，其中大部分來源于農林產業(yè)。農業(yè)生產廢棄物是最常見的農業(yè)生物質能源類型，其中最主要的部分就是農作物秸稈，這種農業(yè)生產的廢棄物多用于取暖燃料和炊事燃料當中。不過結合秸稈能源開發(fā)有關的調查報告可以認識到，我國農村對秸稈的利用效率并不理想。多數農村習慣用傳統(tǒng)的方式將秸稈放在柴灶上燃燒，而這種燃燒方式僅能讓能源轉化率達到20 %左右。另外，除了部分農村能夠將秸稈加工成飼料和工業(yè)原料外，還有很多村莊將秸稈遺棄在田間地頭，或者是直接就地焚燒。這樣做一方面會對生物能源的使用造成浪費，另一方面還會對環(huán)境造成污染。在這種資源利用環(huán)境下，系統(tǒng)識別和量化生物質化學組成就顯得尤為重要，無論是秸稈原料熱解還是發(fā)酵，都需要建立在充分把握化學性質的基礎上，否則就會因為開發(fā)方式無序而導致效率低下。

2 材料制備與方法選擇

2.1 實驗材料采集

為了保證農業(yè)生物質化學性質研究的科學性，擬采用多種作物秸稈為材料樣品。具體采樣方式為在不同區(qū)域采集特定品種的農業(yè)生物質，即在農作物成熟以后再對各種秸稈進行采集，否則就會導致研究對象和應用生物質差異的狀況產生。樣品的采集數量要以研究內容為轉移，一般3~5 kg即可滿足需要。完成前期采集工作后，需按照要求對已標記的樣品進行捆扎，然后再完善采集信息，如種植方式、收獲季節(jié)和采集時間等，以免采集過程中出現的問題對樣本代表性產生消極影響。

2.2 實驗材料制備

比較和分析農村生物質要采用統(tǒng)一的標準和合理的方式，而非用傳統(tǒng)農村的利用方式分析其化學性質。在完成實驗材料采集的一系列工作以后，就要對實驗材料進行加工制備。首先，實驗人員要把秸稈分類風干，然后再用枝椏粉碎機進行粗加工，然后再把秸稈粗粉放入烘干機中處理。秸稈粗粉烘干后尚不能達到理想使用狀態(tài)，還需要通過中藥粉碎機打出細粉，再經過40目篩分。樣品制備后不能受潮，所以要放在干燥器中保存，這樣才能為實驗測試提供符合要求的樣品。

2.3 實驗方法

實際上，通過比較和分析農村生物質提高生物質燃料的利用率就是確定秸稈中的纖維素、木質素、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維及粗蛋白的含量，然后再針對性地選擇利用方案。各項化學測試項目如下所示。

2.3.1 纖維素、半纖維素

從組成上來看，纖維素和半纖維素存在一定差異，即纖維素是葡萄糖組成的大分子多糖，半纖維素則是由多種單糖構成的異質多聚體。為了正確測量出纖維素和半纖維素的含量，在實驗中需要采用液相色譜法測試糖含量。

2.3.2 木質素

木質素含量的測試需要考慮酸性可溶性木質素和不可溶性木質素的性質差異。所以在測量中常用的方法便是分別采用紫外光分光光度法和灼燒法，用灼燒法測量不可溶木質素的溫度一般為575 ℃。

2.3.3 中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維

雖然這兩種纖維在性質方面各不相同，但是現為測定儀可以對二者的含量進行準確測定。

2.3.4 粗蛋白

粗蛋白的測定用的是凱氏定氮儀。

2.4 實驗儀器

試驗中用到的儀器可以分為2種類型，（1）樣品制備時用到的枝椏粉碎機、中藥粉碎機、重量測量儀器和烘箱等；（2）測定化學性質時涌動用到的纖維測定儀和凱氏定氮儀。在合理應用實驗儀器的情況下，農業(yè)生物質的化學性質可以得到良好的反映。

3 結果與分析

3.1 纖維類物質含量變化

從上文中的材料檢測部分中可以總結出，秸稈中主要有3種纖維類物質，分別是纖維素、半纖維素和木質素。結合實驗的主要研究對象水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈的纖維素物質含量分布可知。水稻秸稈的纖維素含量在4種秸稈中含量最高，將近可以達到40 %，這與水稻秸稈的纖維素含量23 %~53 %基本吻合；水稻的半纖維素和木質素也符合10 %~26 %、14 %~33 %的要求范圍。由此可見，按照標準制備方法得出的樣本纖維物質含量與相關文獻的記錄范圍基本一致。纖維物質含量圖如圖1所示。

圖1 纖維物質含量圖

在獲得各類秸稈纖維類物質含量的同時，還需要了解的便是不同纖維類型在利用中的作用和注意點。例如，秸稈中木質纖維含量十分可觀，但是這種纖維物質的含量會影響秸稈的降解速度，即厭氧菌對高木質纖維素含量的作物降解效率較低，所以應用在沼氣等生物質能源開發(fā)上并不貼合；反之，若是農作物廢棄物中的木質纖維素比較低，而且容易被消化，那么應用在制取沼氣中的效果就比較理想。當然，在政府政策和技術的雙重支持下，秸稈難以制取沼氣的問題也在一定程度上得到緩解，這也使得我國農村海量的秸稈資源能夠應用到沼氣池建設當中。根據秸稈資源應用沼氣池的實例經驗可以總結出，想要提高秸稈的可生物消化性，就要在使用前做好預處理工作。當然，沼氣只是以秸稈為代表的生物質資源的一種利用方式，除了這種方式以外，還可以利用熱裂解液化生產生物油。不過生物油不適合用木質素含量高的秸稈為材料。

木質纖維素是秸稈生產乙醇的主要部分，在木質纖維素轉化為乙醇的過程中，纖維素和半纖維素會在水解的作用下成為可發(fā)酵性糖，然后在發(fā)酵的作用下轉化為醇。水解過程可以通過添加酸或酶來加快水解過程。不過需要關注到的一點是，木質素屬于比較難消化的農作物廢棄物，而這也說明其在化學性質方面不活潑，如果只是采用普通的方式制取乙醇，那么效率就會顯得異常低下。為此，在制備乙醇前要把木質素去除，盡可能發(fā)揮纖維素和半纖維素在乙醇制備中的作用。結合4種類型秸稈的纖維素、半纖維素含量可以知道，水稻秸稈是這幾種秸稈中最適合用來制取乙醇的品種。

3.2 化學分析

利用秸稈生產飼料也是當前生物質原料開發(fā)的常見手段，而且經過長時間的錘煉后，相關技術已經呈現出比較成熟的狀態(tài)。不過需要注意的是，以往的飼料制備都只是一股腦地將秸稈傾入其中，完全不會對秸稈充作飼料的關鍵部分進行剔選。實際上，秸稈中的營養(yǎng)物質來源無粗蛋白和兩種洗滌纖維。在文章談及的4種秸稈當中，油菜桿的粗蛋白含量會相對高一些，在排除不同地區(qū)生長環(huán)境的影響下，可以界定油菜桿用來做飼料是比較合理的選擇。當然，想要提高秸稈中的粗蛋白含量，提高高粗纖維的降解率，可以適當利用酵母菌和其他微生物對秸稈發(fā)酵，這樣就能提高禽畜飼料的營養(yǎng)水平。

綜上所述，文章對水稻秸稈、棉花秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈4種農作物秸稈展開了重點分析，從文中的論述中可以總結出。水稻的纖維素和半纖維素含量略高于其他3種作物秸稈，用來制取乙醇具有優(yōu)越性；將秸稈用于沼氣生產時，玉米秸稈容易在熱化學條件下生成CO，棉花秸稈則容易生成甲烷氣體；利用熱裂解液化生產生物油時，應當用木質素含量低的秸稈類型，棉花秸稈這種木質素含量高的秸稈不適合該利用方式；直接燃燒秸稈的話，熱值最高的應當是棉花秸稈，其次為玉米、水稻、油菜。其中最不適合的便是油菜秸稈，因為油菜秸稈中的鈣元素含量較多，很容易導致鍋爐起渣。

4 小結

農作物生物質的利用與其化學性質有直接關系，在該方面進行深化研究，有利于幫助生物質資源的開發(fā)提供理論指導，從而幫助人們選擇更具有針對性的開發(fā)方法。在農業(yè)生物質整體開發(fā)狀況改善的情況下，我國的能源環(huán)境和環(huán)境建設工作也會受到積極影響，從而推動我國農村乃至整個社會的持續(xù)健康發(fā)展。因此，相關部門及科研單位要強化在這方面的研究，對典型農業(yè)生物質的化學性質進行深入研究，給農業(yè)生物質的利用提供更多可能性。

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S216.2

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2095-1205(2020)04-27-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.04.14