大健康农业之秸秆五化利用技术进展

    国家发改委和农业部编制发布的《秸秆综合利用技术目录》,提出了秸秆资源肥料化、饲料化、原料化、基料化和燃料化等“五化”利用途径。

        秸秆综合利用是一项复杂、艰巨、长期的系统工程。针对秸秆转化利用的技术难题,我国科学家及其团队近几年有哪些进展?


        (1)中科院过程所30万吨/年秸秆炼制工业产业化生产线。该项目利用玉米秸秆以秸秆汽爆半纤维素水解液和汽爆秸秆杂细胞组织为发酵丁醇原料,秸秆纤维素制备聚醚多元醇,秸秆木质素制备酚醛树脂等产品,是国内第一条低成本、高值化、规模化秸秆原料生物炼制组分全利用生产线,也是目前世界规模最大、率先产业化且具有良好经济效益的生产装置。该技术工艺及装置已在吉林省松原成功投产。在秸秆炼制关键过程具有原创性的技术突破,首先突破了秸秆单一产品转化、单一技术应用,拓宽了秸秆应用领域,形成了秸秆炼制工业产业化技术体系。不仅降低秸秆预处理和酶解成本,还摆脱了秸秆纤维素造纸,以及木质素直接燃烧的低值化利用,转化成聚醚多元醇和酚醛树脂等高值化产品,提高了秸秆利用的经济价值。

        (2)合肥工业大学,以秸秆类生物质废弃物为原料,成功制备出多维数、多尺度、多形态的三维功能催化材料,可高效去除水体中有机及重金属有毒污染物。据悉,利用该新型3D复合材料的多孔结构、高比表面积及表界面特性,在单设备中实现了金属离子的还原、金属纳米粒子的碳包覆以及氮非金属元素的掺杂改性,克服了传统热解法制备工艺复杂、还原处理风险较高以及非金属元素改性效果不佳等缺陷,极大提高了其在实际应用中的抗中毒能力、稳定性及重复利用性,且由于原料资源丰富,制备成本低,比表面积大并具有多级孔结构,因此具有广阔的工业化应用前景。

        (3)中国农科院农业资源与农业区划所土联合山东全宇生物科技有限公司研制出以作物秸秆为主体的秸秆系列颗粒肥。采用了粉碎+热混+搅拌+造粒为核心的秸秆颗粒肥生产工艺流程。主要产品包括秸秆颗粒肥、秸秆有机无机复混颗粒肥和秸秆有机无机微生物颗粒肥。经田间试验表明,与等量常规秸秆直接还田相比,该颗粒肥的培肥速度可提高5%~10%,耕层土壤可溶性有机碳也显著提高。不仅可以防止土壤失墒、减少缺苗断垄等现象,还不影响任何田间操作,有利于农业机械化发展。

        (4)青岛农业大学发明了一种高效破坏木质纤维素分子结构的预处理方法???磷酸和过氧化氢组合法。该方法与传统物理化学预处理方法相比,能够高效去除木质素分子,破坏木质纤维素的晶体结构,从而使纤维素酶能够高效地接触底物纤维素,使其降解为微生物可发酵的单糖。在处理后的酶解液中,不会出现发酵抑制物,因此也不用采取脱毒方式去除发酵抑制物,大大减少了时间和成本。具有效率高、成本低、能耗低等明显优点

        (5)中科院合肥物质院采用离子束辐照技术获得了水稻脆秆突变体,解决了水稻秸秆破碎难题。据悉,该项成果利用作物品种遗传工程技术,通过改变茎秆细胞木质素、纤维素的含量和比例,使之表现为,在田间茎秆脆而不倒,叶片和谷粒都不表现脆性,可进行正常的田间操作,而在收获时实现了秸秆易粉碎、机械能耗低等效果。

        (6)南京师范大学在国家“973”项目首席科学家蔡祖聪带领下发明了“强还原土壤修复方法”(RSD),可让秸秆成为治疗病土最绿色优质的药方。该项成果已阐明RSD灭菌和修复连作障碍土壤的作用机理,建立了完整的强还原土壤灭菌处理技术方法,并成功修复了因作物连作障碍而废弃的土壤。使用秸秆治疗病土,不仅保护了土地资源,减少了农药和杂草剂的使用量,还能为秸秆找到出路,可谓“一举三得”。

        (7)基团配位组装法制备生物质石墨烯。山东济南圣泉集团股份有限公司与黑龙江大学、青岛大学等合作,以植物秸秆玉米芯多孔活性纤维素为原料,采用基团配位组装(GCA)法,在热催化条件下经过配位组装、高温碳化、逐步迁移、有序附着、薄层分离等高效而精密的加工工艺而得到生物质石墨烯。继而,将生物质石墨烯与粘胶纤维、聚酯纤维、聚氨酯、天然乳胶等材料复合,制成多功能复合材料??“内暖”,具有吸湿透气、持久抗菌、抗静电和改善微循环等,在功能性服装和纺织品等领域中已得到应用。经多次洗涤后依然不衰减。

        (8)木质纤维素制乙醇。中科院大化所在木质纤维素制乙醇研究工作中,发现聚乙二醇(PEG)与酵母细胞有很好的生物兼容性,而且PEG对工业酿酒酵母细胞(淀粉基)具有显著的外保护“原位脱毒”功能。这种化学分子的外保护使酵母细胞在与毒性物质共同存在时,仍具有将速生杨、玉米秸秆等木质纤维素水解液发酵生产乙醇的能力。结果表明,工业酿酒酵母(淀粉基)在PEG保护的条件下可直接将木质纤维素水解液转化为乙醇,无需进行基因改造、适应性培养。该方法可有效简化生产工艺、减少水耗和设备投资,有望推动纤维素乙醇的工业化进程。

        (9)烟草秸秆资源化综合利用。烟草秸秆木质化程度高,非常难腐解,其资源化利用一直是个难题。由中国农业科学院烟草研究所联合农业环境与可持续发展研究所和沼气科学研究共同攻关,探索出一套解决烟草秸秆资源化综合利用技术包,并取得突破性进展。在炭化利用方面,将烟草秸秆制成生物质炭粉开发烟草育苗基质取得成功。在烟草漂浮育苗中,利用生物炭替代泥炭,达到了减少泥炭用量。在烟草托盘育苗中,利用生物炭替代腐熟秸秆或圈肥,避免了潜在的病害威胁,提高了育苗基质的质量。在沼气化利用方面,项目组将烤烟秸秆与其它农业废弃物混合作为沼气发酵原料。试验显示,烤烟秸秆的甲烷产率与水稻秸秆类似,比玉米秸秆和小麦秸秆略低,有较好的产气潜力。厌氧过程对烟草黄瓜花叶病毒(CMV)、烟草普通花叶病毒(TMV)有抑制作用,由此认为沼气发酵液用作农田,特别是茄科作物农田的有机肥料循环利用是可行的。

        (10)紫茎泽兰综合治理与资源化利用系列项目。紫茎泽兰是中国首批16种外来入侵物种第一大杀手,多年生草本或亚灌木,原产于中、南美洲,可进行有性繁殖和无性繁殖,对环境的适应性极强,所到之处寸草不生,不但和农作物争水争地争阳光,还可使牛羊等牲畜中毒,对水利设施造成严重危害。攀枝花市紫茎泽兰分布面积超过600万亩,危害巨大。由中国科学院过程所联合其他4家院所共同承担的??紫茎泽兰综合治理与资源化利用系列项目“野外刈割+快速防除+替代种植+恢复生态+资源化利用”新模式研究项目获四川省科技厅300万元科技支撑计划支持。创新性地构建了集成干燥、炭化和活化的粉末状活性炭连续生产技术工艺,将紫茎泽兰制备活性炭以及生物质燃料;以紫茎泽兰挥发油为基础原料,研发出具有特殊功能的牙膏、洗发膏、洗液或精油产品;以紫茎泽兰发酵料为基础原料,均衡生产食用菌或菌类药材;以紫茎泽兰菌渣为基础原料,研制芒果专用肥产品,实现对紫茎泽兰的高效资源化开发利用。

        (11)中国农科院畜牧兽医研究所奶业创新团队在玉米秸秆高效利用技术研发方面取得新进展,引入物理性处理技术??蒸汽爆破,以体外瘤胃产气速率为靶标,优化获得了蒸汽爆破技术在预处理秸秆时的最优参数:蒸汽压强1.51 MPa,维压时间180 s,预浸水分含量10%。研究发现,蒸汽爆破显著降低了秸秆中半纤维素含量,提高了纤维素的相对含量。扫描电镜分析发现,蒸汽爆破秸秆的纤维之间出现了中空结构,这种变化将有利于微生物的定值。通过体外瘤胃发酵技术,发现蒸汽爆破能提高秸秆发酵产气速度、木糖等还原糖和VFA产量,促进瘤胃微生物发酵。奶牛瘤胃投袋试验发现,蒸汽爆破秸秆的纤维素和半纤维素降解率显著升高,经扫描电镜观察发现蒸汽爆破秸秆表面粘附更多的微生物,并且易快速形成致密的微生物生物膜。蒸汽爆破预处理能破坏玉米秸秆纤维结构,提高瘤胃微生物黏附效率,增强秸秆瘤胃降解率和发酵能力,为奶牛产奶提供更多的能量和营养。


文章分类: 大健康
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