如何高效利用農村生物質資源（生物質資源綜合利用的方案）

2023-09-15 03:36:02 1

如何高效利用農村生物質資源?【摘要】用稻殼中可提取物提取黃酮類化合物、稻殼中含半纖維素水解製取木糖、稻殼中含纖維素水解發酵製取乙醇、用乙醇提取稻殼中木質素、剩餘殘渣製取納米二氧化矽所得產品質量符合標準，工業化生產可行，經濟效益相當好，我來為大家科普一下關於如何高效利用農村生物質資源?下面希望有你要的答案，我們一起來看看吧!

如何高效利用農村生物質資源

【摘要】用稻殼中可提取物提取黃酮類化合物、稻殼中含半纖維素水解製取木糖、稻殼中含纖維素水解發酵製取乙醇、用乙醇提取稻殼中木質素、剩餘殘渣製取納米二氧化矽。所得產品質量符合標準，工業化生產可行，經濟效益相當好。

【關鍵詞】稻殼 黃酮類化合物 木糖 乙醇 木質素 納米二氧化矽

【中圖分類號】X712 【文獻標識碼】A

The comprehensive utilization of biomass resources scheme

Abstract: Using rice husk can extract flavonoid extract, rice husk containing hemicellulose hydrolysate xylose preparation, rice husk cellulose hydrolysis and fermentation to produce ethanol, ethanol extraction of rice husk lignin, preparation of nano silica residue. The quality of products meet the standard, the industrialized production is feasible, economic benefit is good.

Key words:Rice hull flavonoids xylose Ethanol Lignin nano silica

1稻殼的慨況

稻殼作為稻米的加工副產物在我國利用水平較低，由於綜合利用的研究和推廣滯後，造成大部分作為廢物丟棄或作為低級燃料，環境汙染和資源浪費十分嚴重。因此，如何充分的利用稻殼資源，變廢為寶，有著重要的意義。本文報導的新方法有望改變目前現狀，實現稻殼這種可再生資源的充分利用，為農業副產品深加工和可再生資源循環經濟的發展提供技術支持。稻殼的化學成分為：纖維素30%，半纖維素25%，木質素12%，提取物18%（是指可以用水、水蒸氣或有機溶劑提取出來的物質，包括天然樹脂、單寧、香精油、色素、木質素極少量的生物鹼、果膠、澱粉蛋白），灰分16%。根據稻殼的結構和組成特點，對稻殼依次進行5個步驟的處理，即①醇提稻殼黃酮；②稀酸水解半纖維素；③有機溶劑提取木質素；④纖維素水解發酵製取乙醇；⑤殘渣熱解製取納米二氧化矽。分別製取出醫藥級黃酮，食品級木糖，高活性木質素，燃料乙醇及高純度納米二氧化矽等產品，將稻殼中的主要組分（總質量>98%）進行了充分利用,從而實現了稻殼這種農業廢棄物的綜合利用.

2稻殼提取物中提取黃酮類化合物工藝介紹：

2.1黃酮簡介

黃酮類化合物泛指兩個具有酚羥基的苯環（A-與B-環）通過中央三碳原子 相互連結而成的一系列化合物，其基本母核為2-苯基色原酮。黃酮類化合物結構中常連接有酚羥基、甲氧基、甲基、異戊烯基等官能團。此外，它還常與糖結合成苷。黃酮的功效是多方面的，它是一種很強的抗氧劑，可有效清除體內的氧自由基，這種阻止氧化的能力是維生素E的十倍以上，這種抗氧化作用可以阻止細胞的退化、衰老，也可阻止癌症的發生。可以改善血液循環，可以降低膽固醇，也可改善心腦血管疾病的症狀。可以抑制炎性生物酶的滲出，可以增進傷口癒合和止痛，櫟素由於具有強抗組織胺性，可以用於各類敏感症。黃酮化合物降低血糖的功效是很神奇的，但更重要的是它對穩定膠原質的作用，因此它對糖尿病引起的視網膜病及毛細血管脆化有很好的作用。

2.2粗黃酮的提取

稻殼洗淨後恆溫烘乾（60度）24小時，後粉碎過40目篩，用稻殼粉質量4倍體積（千克/升）60—90度的石油醚浸泡24小時，以除去米糠油等脂溶性物質。然後經減壓過濾，常溫下用乙醇洗劑濾渣中殘留的石油醚，減壓過濾。再用濃度為50%的乙醇作為溶劑，固液比為1:30，浸泡24小時，之後70度恆溫加熱回流6小時，趁熱減壓過濾，濾液經濃縮至幹，得棕色膏狀提取物，連續以同樣條件提取3次。然後加蒸餾水溶解，並過濾，取濾液減壓蒸餾，回收水分，得粗黃酮提取物①。粗黃酮提取量為1%。

2.3黃酮提取物的精製

2.3.1粗黃酮的預處理

將2.2製取的棕色膏狀提取物按體積質量比2:1的蒸餾水溶解，過濾，取濾液用乙酸乙酯反覆多次萃取，取乙酸乙酯層，經減壓蒸餾回收乙酸乙酯，得粗黃酮提取物2。加入30%的乙醇溶液，液固比為100:1（升/克），得稻殼黃酮類化合物提取液。

2.3.2黃酮吸附樹脂的預處理

（1）吸附柱準備：一般吸附柱由玻璃製成。在吸附柱管口架上一滴液漏鬥，用來控制上樣液等溶液的流速。

（2）先往清洗乾淨的吸附柱內加入相當於填充樹脂體積0.4—0.5倍的乙醇，然後將新樹脂投入柱中，使其液面高出樹脂層0.5釐米左右，然後浸泡24小時。

（3）用2BV（在離子交換中，BV/h通常是空間流速的表示，即是指柱內單位時間(h)流經單位體積樹脂平均液量，有時稱比體積(sv)或樹脂床體積（bv)簡稱倍。）乙醇，以2BV/h的流速通過樹脂層，洗至流出液加水不呈白色渾濁為止，並用蒸餾水以同樣的流速清洗樹脂柱，直至無乙醇殘留物為止。

（4）用2BV的5%的鹽酸溶液，以4—6BV/h的流速通過樹脂層，並浸泡2—4個小時，

並用蒸餾水以同樣的流速清洗樹脂柱，直至PH值呈中性為止。

（5）用2BV的5%的氫氧化鈉溶液，以4—6BV/h的流速通過樹脂層，並浸泡2—4個小時，並用蒸餾水以同樣的流速清洗樹脂柱，直至PH值呈中性為止。

2.3.3黃酮的分離純化

AB-8樹脂對黃酮有較高的吸附和解吸率，AB-8樹脂對稻殼中黃酮類化合物的吸附優化條件為上樣液濃度為1.5g/l，溶液PH值為5.0，上樣液流速為1mol/min，而且上樣液的流速對吸附效果影響最大，解吸優化條件乙醇解吸液濃度為50%，解吸液PH值為6.0，解吸液流速為1mol/min，解吸液的流速對解吸效果影響最大。採用最優條件上柱及解吸，當上柱液達到3BV樹脂量時，稻殼黃酮開始出現明顯的洩露，稻殼黃酮提取液最大上柱體積為5.5BV樹脂量，濃度為50%的乙醇可以將已被樹脂吸附的黃酮完全解吸，按最佳吸附和解吸條件，採用AB-8樹脂富集後，稻殼提取液的純度提高了3倍，達到了富集分離的目的。提取液經濃縮至幹，回收乙醇。可得到醫藥級黃酮，產率為0.5%。

3稻殼中的半纖維素製取木糖

3.1木糖簡介

木糖是一種戊糖。天然D-木糖以大分子的木聚糖的形式廣泛存在於植物半纖維素中，用酸或酶使木聚糖降解獲得。不被動物消化吸收，沒有能量值能最大限度地滿足愛吃甜品又擔心發胖者的需求；活化人體腸道內的雙岐桿菌並促其生長，雙歧桿菌是益菌，該菌越多越有益人體健康；食用木糖能改善人體的微生物環境，提高機體的免疫能力。不被口腔內微生物所利用，具備膳食纖維的部分生理功能，可降低血清膽固醇的預防腸癌等。木糖與食物的配伍性很好，食物中添加少量木糖，便能體現出很好的保健效果。木糖與鈣同時攝入，可以提高人體對鈣的吸收率和保留率，還能防止便秘。

3.2木糖的製取

稻殼中的半纖維素為阿拉伯糖基木聚糖，在合適的溫度、時間和酸濃度等條件下水解，主要產物為D-木聚糖。水解液經脫色、除雜、濃縮和重結晶後可製備出高純度木糖。在水解的同時，稻殼中的K、Na、Al等金屬元素被酸液溶解並去除，避免了這些金屬雜質對終端產品二氧化矽純度和白度的影響。

在反應釜中加入提取黃酮過濾後的濾渣，稀硫酸質量濃度為4%,濾渣質量與稀硫酸的體積比為1:6，溫度控制在130度左右，攪拌回流3個小時，半纖維素的水解率為90%以上，冷卻過濾得水解液。氫氧化鈣與水混合配置成懸濁液，將水解液放入容器加熱，在攪拌下慢慢加入氫氧化鈣懸濁液（比重為1.10--1.30），當溶液的PH值達到3.0-3.5時停止加入氫氧化鈣懸濁液，保持溶液溫度在70-75℃，攪拌40-50分鐘，加入濾液量3—6%的活性炭，攪拌均勻後，靜置8—12個小時，再加熱至75℃，保溫並攪拌50-80分鐘，過濾除去固體物的濾液。將濾液在30度先經陽離子交換樹脂去除灰分，再經陰離子交換樹脂除去有機酸得到糖液。將糖液放入加熱容器中，加熱至沸點並保持，直至糖液蒸發至初始體積15-25%，過濾除去析出的沉澱物，然後繼續濃縮，得到粘稠的糖漿。向糖漿中加入4—5倍體積的乙醇，加熱至40-45℃並不斷的攪拌，使其溶解，適當的濃縮後冷卻靜置，從溶液中析出的晶體即為木糖，抽濾烘乾得到產品。

4纖維素水解發酵製取乙醇

4.1乙醇簡介

乙醇的結構簡式為C2H5OH，俗稱酒精，它在常溫、常壓下是一種易燃、易揮發的無色透明液體，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，並略帶刺激性。乙醇的用途很廣，可用乙醇來製造醋酸、飲料、香精、染料、燃料等。醫療上也常用體積分數為70%——75%的乙醇作消毒劑等。

4.2水解工藝類型的選擇

水解工藝的選擇要根據原料種類、生產規模等實際情況，總體上要考慮以下4方面的因素：

①能有效地把原料中的纖維素和半纖維素水解為可發酵糖。

②提高可發酵糖產率和降低對發酵有害副產物的生成。

③選擇先進合理的工藝降低能耗。

④有效地回收水解用酸和處理廢液，減少和避免汙染。

4.3木質纖維素類原料發酵工藝特點

木質纖維素類原料製酒精工藝中的發酵和以澱粉或糖為原料的發酵有所不同，主要表現在以下兩個方面：

①水解糖液中含有對發酵微生物有害的組分，大部分有害組分來自纖維素和半纖維素預處理和水解中產生的副產品，包括低分子量的有機酸、呋喃衍生物、酚類化合物和無機物。

②水解糖液中含有較多的木糖等五碳糖，需要用能夠代謝五碳糖的菌種進行發酵。

4.4濃酸水解纖維素的工藝流程

濃酸水解的原理是利用濃硫酸（或濃鹽酸）在較低溫度下可完全溶解木質纖維素的結晶結構，將纖維素鏈裂解成含幾個葡萄糖單元的低聚糖，把此溶液加水稀釋並加熱，經一定時間後就可把低聚糖水解為葡萄糖。濃酸水解的優點是糖的回收率高（可達90%以上），可以處理不同的原料，水解用時較短（總共10—12h），水解後的糖降解較少，但對設備耐強酸腐蝕的性能要求高，而且必須有完善的酸回收策略。

工藝流程為：先在50℃下將纖維素物質與濃硫酸（70—98%）混合10min，纖維素首先被水解為低聚糖，保持酸的混合比例R（硫酸/纖維素）大於7.2，然後把酸的濃度稀釋至40—50%，保持溫度在90℃，並維持20min後水解就可以完成了，低聚糖進一步水解為葡萄糖。然後把剩餘的木質素和二氧化矽洗滌和分離出來。

4.5水解液的糖酸分離

①離子排斥色譜發的原理

離子排斥色譜法所用的固定相通常是離子交換樹脂，一些功能基團（如-SO3H，-COOH）無規則的聯結在這些離子交換樹脂的內部微孔結構的骨架上。在高分子骨架上，有固定離子和以離子鍵相結合的符號相反的活動離子就組成了這種隨機分布的功能集團。離子排斥色譜法的原理與普通色譜分離法有所不同，不帶電荷的非離子態溶質可以自由的進出樹脂微孔，而其它與基團電性相同的離子則會由於樹脂的排斥作用無法進入樹脂微孔，這是因為樹脂交聯中鍵合著磺酸基團，這樣會打破電勢平衡。在離子樹脂交換床層中，由於樹脂的電勢必須保持平衡，因此會造成離子被樹脂微孔排斥的作用。利用這個原理分離生物質水解液中的糖和酸時，非離子態的糖可以自由進出樹脂的微孔，而酸在樹脂酸性基團的電荷排斥作用下無法進入樹脂的微孔，糖在樹脂的微孔間不斷地吸附、脫附。因此，在流動相的作用下，水解液在不同的洗脫時間內會形成3種液流。根據糖和酸通過整個樹脂床層所經歷的路程和時間來看，首先出來的是富酸流，其次是糖酸的混合物，最後是富糖流，這主要是由於糖所經歷的路程要比酸長。糖酸的混合物可以返回系統重新進行分離，而富酸流和富糖流可以分別進入水解和發酵過程。

②分離工藝

選定強酸性陽離子樹脂為柱所用樹脂，柱溫15℃，樹脂床層高度100CM，以1mol/min的流速進行分離，能使糖和酸得到一定程度的分離。混合糖液用比重為1.0的石灰水中和去酸，再由離心分離出的混合糖液直接進發酵罐，固體為石膏，回收利用。

4.6糖液發酵製取乙醇

把分離出來的糖液與酒麴按質量比100:1的比例混合，充分攪拌均勻，然後轉入發酵罐，保持發酵溫度30-35℃，進行5d左右的完成糖化發酵。將完成糖化發酵的發酵液，移入多效蒸餾器可得50%-60%的酒精。

4.7廢水和殘渣處理

精餾塔底殘夜中含有大量的有機物，可把這殘夜和其它過程廢水一起收集後，在厭氧條件下進行沼氣發酵，產生的甲烷可作系統內部能源，用於生產蒸汽。

5有機溶劑提取水解殘渣中的木質素

5.1木質素簡介

木質素是由四種醇單體（對香豆醇、松柏醇、5-羥基松柏醇、芥子醇）形成的一種複雜酚類聚合物。木質素是構成植物細胞壁的成分之一，具有使細胞相連的作用。在植物組織中具有增強細胞壁及黏合纖維的作用。其組成與性質比較複雜，並具有極強的活性。不能被動物所消化，在土壤中能轉化成腐殖質。如果簡單定義木質素的話，可以認為木質素是對羥基肉桂醇類的酶脫氫聚合物。它含有一定量的甲氧基，並有某些特性反應。

5.2木質素的用途

①用作有機肥料的原材料：由於木質素容易在土壤中易分解成腐殖質，可以為農作物提供大量的有機養分，改良土壤的效果非常好；此外，木質素還是形成細胞壁的成分之一，能增強細胞壁的強度，讓果蔬外形更加好看，改善農作物的品質，是發展有機農業的好幫手。

②用作混凝土減水劑：在混凝土中的摻量一般為水泥質量的0.2-0.3%，可以減少用水量10-15%以上，改善混凝土拌合物的和易性，提高工程質量。夏季使用，可抑制坍落度損失，一般與高效減水劑復配使用。

③用作選礦浮選劑和冶煉礦粉粘結劑，冶煉業用木質素磺酸鈣與礦粉混合，製成礦粉球，乾燥後放入窯中，可提高冶煉回收率。

④耐火材料：製造耐火材料磚瓦時，使用木質素磺酸鈣做分散劑和粘合劑，能改善操作性能，並有減水、增強、防止龜裂等良好效果。

⑤陶瓷：用於陶瓷製品可以降低碳含量增加生坯強度，減少塑性粘土用量，泥漿流動性好，提高成品率70－90%，燒結速度由70分鐘減少為40分鐘。

⑥其它：木質素磺酸鈣還可用於精煉助劑，鑄造，水煤漿分散劑，農藥可溼性粉劑加工，型煤壓制，道路、土壤、粉塵的抑制，製革鞣革填料，炭黑造粒，飼料粘合劑等方面。

5.3木質素的提取

與傳統的鹼法相比，用醇溶劑提取木質素，具有溶劑易回收、不用催化劑、汙染小等優點，同時也避免了稻殼中二氧化矽的損失。在200℃下，使用濃度為75%的乙醇水溶液作為溶劑，以質量比1:10的比例蒸煮6小時後，自然降溫至60℃，抽濾分離，濾液中的木質素會自動析出，以60℃的乙醇溶液衝洗殘渣，與濾液合併。室溫下自然乾燥，得到具有芳香氣味的褐色乙醇木質素，產率50%以上。

與其它方法相比，此種方法製取的木質素，具有很高的化學活性。實驗證明，上述有機溶劑木質素在合成酚醛樹脂的過程中可取代80%的苯酚用量。有機溶劑木質素大量取代苯酚生產酚醛樹脂，不僅減少了原料和產品的毒性，而且降低了對石油等化石資源的依賴，同時利用了稻殼這種農業廢棄物。

6殘渣熱解製備納米二氧化矽

6.1納米二氧化矽簡介

納米二氧化矽是極其重要的高科技超微細無機新材料之一，因其粒徑很小，比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優越的穩定性、補強性、增稠性和觸變性，在眾多學科及領域內獨具特性，有著不可取代的作用。納米二氧化矽俗稱「超微細白炭黑」，廣泛用於各行業作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補強劑，塑料充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，高級日用化妝品填料及噴塗材料、醫藥、環保等各種領域。

6.2納米二氧化矽的製取

稻殼經過上述4步處理後，剩餘的殘渣含有大量的二氧化矽及少量的有機物，殘渣乾燥後，通過控制熱解氣氛和程序，在600℃下熱解120分鐘，得到高純度的二氧化矽（99.88%）。經過超聲分散後，得到單分散性的納米二氧化矽球，粒徑為20nm。此法與其它傳統的製備二氧化矽法相比，不使用酸、鹼、和四氯化矽，也沒有廢水和HCL氣體的產生，原料為可再生的農業廢棄物，工藝和方法簡單易行，符合綠色化學的理念。

7結束語

本方案通過對稻殼進行了四步的處理，將稻殼中的資源充分利用，每一步處理均為下一步處理打下基礎，減少了分別提取某一產品的能耗及縮短了提取產物的時間。工藝流程簡單容易操作，無廢水廢氣產生，並且適用於水稻秸稈及小麥秸稈等農業廢棄物，值得推廣。

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【收稿日期】2013-4-16

【作者簡介】邊建嶺（1975--），男，漢族，河北正定人，中專學歷，研究方向為新能源的綜合利用、水資源的綜合利用等。

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