朱登勇,吳朝軍,馬紅翠,樊耀亭＊

(1.鄭州大學(xué)化學(xué)系,河南鄭州 450052; 2.河北理工大學(xué)輕工學(xué)院,河北唐山 063000）

底物水解預(yù)處理對(duì)玉米秸稈發(fā)酵生物產(chǎn)氫的影響

朱登勇1,吳朝軍1,馬紅翠2,樊耀亭1＊

(1.鄭州大學(xué)化學(xué)系,河南鄭州 450052; 2.河北理工大學(xué)輕工學(xué)院,河北唐山 063000）

水解預(yù)處理是影響纖維素類生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫效率的關(guān)鍵因素之一.在批式試驗(yàn)條件下,分別采用乳酸處理(方法 A),生物處理(方法B)和生物/乳酸兩步處理(方法 C)方法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行糖化水解預(yù)處理;考察了水解預(yù)處理對(duì)產(chǎn)氫效率的影響.結(jié)果表明:經(jīng)乳酸預(yù)處理、生物預(yù)處理和乳酸/生物兩步處理的玉米秸稈的累積氫產(chǎn)量分別為132 mL/g,169 mL/g和191 mL/g;就玉米秸稈的產(chǎn)氫能力而言,預(yù)處理方法B和C明顯優(yōu)于A.其原因在于,經(jīng)方法B和C預(yù)處理后玉米秸稈的半纖維素被水解成可溶性還原糖和乳酸,從而導(dǎo)致產(chǎn)氫能力提高;與此同時(shí),經(jīng)預(yù)處理的底物中的半纖維素降解也能有效地提高底物的產(chǎn)氫能力.

玉米秸稈;水解預(yù)處理;發(fā)酵生物制氫

Abstract:The hydrolysis pretreatment of the substrate plays a crucial role in conversion of corn stalk wastes into bio-hydrogen by fermentation.Thus batch tests were conducted to investigate the effect of hydrolysis pretreatment of corn stalk wastes on hydrogen yield,where the corn stalk wastes were saccharified and hydrolyzed with method A(lactic acid),method B(biological route),and method C(biology/lactic acid two-step route),respectively.It was found that the corn stalk wastes pretreated with methods A,B,and C had a cumulative hydrogen yield of 132 mL/g,169 mL/g,and 191 mL/g at a substrate concentration of 15 g/L and initial p H of 7.0.The corn stalk wastes pretreated with methods B and C had higher hydrogen yields than that pretreated with method A.The reason might lie in that the hemicellulose in the corn stalk wastes were more efficiently hydrolyzed by methods B and C to generate soluble saccharides and lactic acid,resulting in increased hydrogen yields.Besides,the direct degradation of the hemicellulose in the corn stalk wastes also contributed to greatly increase hydrogen yield.

Keywords:corn stalk wastes;hydrolysis pretreatment;fermentation hydrogen production

在可再生能源中,以氫氣為代表的生物能源備受世人關(guān)注.氫能是公認(rèn)的清潔能源,其熱值高(約為化石燃料的3倍),燃燒產(chǎn)物是水,沒(méi)有環(huán)境污染物的生成.作為清潔燃料,氫氣被大量地應(yīng)用在航空航天、電動(dòng)汽車、石油化工、化學(xué)制藥、電子、冶金和食品等領(lǐng)域[1-4];通過(guò)微生物的代謝過(guò)程生產(chǎn)氫氣的厭氧發(fā)酵生物技術(shù)現(xiàn)已成為生物質(zhì)清潔能源研究中極具吸引力的熱點(diǎn)研究課題[1,5].目前生物制氫研究大多局限于可溶性碳水化合物及廢水的研究,對(duì)于含纖維素類生物質(zhì)產(chǎn)氫的研究還少見(jiàn)報(bào)道[6-7].我國(guó)農(nóng)作物秸稈數(shù)量巨大,目前除少量被用作建筑材料和牲畜飼料外,大多被焚燒或者隨意堆放丟棄,不僅污染環(huán)境,也造成生物質(zhì)資源的極大浪費(fèi).天然纖維素類生物質(zhì)主要是由被木質(zhì)素包裹的纖維素和半纖維素組成,其結(jié)構(gòu)緊密,在短時(shí)間內(nèi)很難被微生物降解利用[7].秸稈類生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,具有較大的結(jié)晶性,要直接對(duì)纖維素進(jìn)行糖化水解或生物轉(zhuǎn)化是相當(dāng)困難的.在生產(chǎn)生物氫的過(guò)程中,稀酸水解和酶法水解是最常用的纖維素類生物質(zhì)的水解方法.為了改善玉米秸稈發(fā)酵生物產(chǎn)氫的能力,作者探討了不同底物預(yù)處理方法對(duì)玉米秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫能力的影響,取得了有意義的結(jié)果.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

產(chǎn)氫菌源:小熊貓糞,取自鄭州動(dòng)物園.為了抑制產(chǎn)甲烷菌和其他病源微生物,小熊貓糞在使用前經(jīng)煮沸和曝氣處理.玉米秸稈取自鄭州郊區(qū),主要成分為:總固體(TS),90.58%;揮發(fā)性固體(TVS),81.70%;灰分,8.88%.使用前將秸稈樣品粉碎至20～40目,秸稈經(jīng)水解預(yù)處理后,按照常規(guī)方法用于發(fā)酵產(chǎn)氫[1-2],實(shí)驗(yàn)所用秸稈濃度均為15 g/L.

1. 儀器及分析方法

HP-4890氣相色譜儀(美國(guó)安捷倫儀器公司);紫外分光光度儀;FZ102小型植物粉碎機(jī)(北京永光明醫(yī)療儀器廠);生物氣用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量;生物氣中氫氣濃度和液相產(chǎn)物中揮發(fā)性脂肪酸及醇含量測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[1,3];可溶性糖用蒽酮分光光度法測(cè)定[1];纖維素、木質(zhì)素和半纖維素含量參照Van Soest方法測(cè)定[8].

2 結(jié)果與討論

在發(fā)酵產(chǎn)氫前,分別采用乳酸(Method A)、生物(Method B)和生物+乳酸兩步耦合(Method C)方法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理.然后以預(yù)處理的秸稈為底物,小熊貓糞為產(chǎn)氫菌源,在初始p H值5.5,36℃和底物的質(zhì)量濃度15 g/L的條件下進(jìn)行產(chǎn)氫發(fā)酵試驗(yàn),結(jié)果如圖1所示.其中,額外添加的乳酸所生成的氫氣已被扣除.從圖1可以看出,與對(duì)照樣相比(20 mL/g),預(yù)處理秸稈的累積氫產(chǎn)量均有較大幅度的提高.經(jīng)乳酸預(yù)處理、生物預(yù)處理和生物+乳酸兩步耦合處理秸稈的氫產(chǎn)量分別達(dá)到132 mL/g,169 mL/g和171 mL/g.在考察的三種底物預(yù)處理方法中,考慮到乳酸預(yù)處理對(duì)秸稈氫產(chǎn)量的影響相對(duì)較小,因此在下面的討論中,僅對(duì)生物預(yù)處理和生物+乳酸兩步耦合預(yù)處理對(duì)秸稈產(chǎn)氫的影響進(jìn)行了研究.

圖2為當(dāng)秸稈的質(zhì)量濃度為15 g/L和p H=7.0的條件下,考察了生物添加劑(方法B)用量從2.5 g/kg到12.5 g/kg時(shí)秸稈累計(jì)氫產(chǎn)量的變化.由圖2可以看出,當(dāng)生物添加劑用量從2.5 g/kg增加到7.5 g/kg時(shí),秸稈氫產(chǎn)量從123.5 mL/g增加到最大值175 mL/g,其后隨著生物添加劑用量的進(jìn)一步增加,氫產(chǎn)量逐漸下降,當(dāng)生物添加劑用量增加至12.5 g/kg時(shí),秸稈的氫產(chǎn)量降至最低值81 mL/g.在生物添加劑用量不同的情況下,秸稈的累積氫產(chǎn)量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加,當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間大約為30～40 h時(shí),相應(yīng)的累積氫產(chǎn)量達(dá)到最大值.

圖1 底物預(yù)處理方法對(duì)累積產(chǎn)氫量的影響Fig.1 Effect of pretreatment method on H2yield

圖2 微生物添加劑用量對(duì)底物累積產(chǎn)氫量的影響Fig.2 Effect of microbe additive loading on H2yield

圖3表示在底物的質(zhì)量濃度為15 g/L,反應(yīng)器初始p H=7.0和固定生物添加劑用量為7.5 g/kg的條件下,乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(方法C)對(duì)秸稈累積氫產(chǎn)量的影響.由圖3可以看出,當(dāng)乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.04%到0.2%的范圍內(nèi)變化時(shí),秸稈氫產(chǎn)量隨著乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加從150 mL/g增加到最大值191 mL/g,其后隨著乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加,秸稈氫產(chǎn)量呈下降趨勢(shì),當(dāng)乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至1.0%時(shí),相應(yīng)的秸稈氫產(chǎn)量降至最低值125.5 mL/g.在不同的乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,秸稈氫產(chǎn)量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加均呈逐漸增加趨勢(shì),當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為100～120 h時(shí),相應(yīng)的氫產(chǎn)量也分別達(dá)到最大值.

與作者先前的研究類似,介質(zhì)p H值變化也嚴(yán)重影響秸稈的發(fā)酵產(chǎn)氫能力.圖4表示當(dāng)生物預(yù)處理的秸稈質(zhì)量濃度為15 g/L,介質(zhì)p H值變化從4.5～7.0時(shí),秸稈氫產(chǎn)量的變化規(guī)律.由圖4可以看出,在介質(zhì)p H值4.5到5.5的范圍內(nèi),秸稈氫產(chǎn)量隨著p H值的增加而增加,爾后,隨著介質(zhì)p H值的進(jìn)一步增加,秸稈氫產(chǎn)量逐漸下降,秸稈的最大氫產(chǎn)量176 mL/g出現(xiàn)在介質(zhì)p H=5.5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在其他條件恒定的情況下,介質(zhì)p H值的適當(dāng)調(diào)控也是影響秸稈類生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫的重要因素之一,因?yàn)樵谡麄€(gè)發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中,過(guò)高或過(guò)低的p H值將抑制氫酶的活性[2,5].

圖3 乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)累積產(chǎn)氫量的影響Fig.3 Effect of lactic acid mass fraction on H2yield

圖4 p H變化對(duì)累積產(chǎn)氫量的影響Fig.4 Effect of p H on H2yield

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出玉米秸稈分別經(jīng)過(guò)乳酸預(yù)處理和生物/乳酸預(yù)處理后均可顯著提高產(chǎn)氫能力.與未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈相比,生物預(yù)處理和生物/乳酸處理后的秸稈的累積產(chǎn)氫量分別提高了7.75倍和8.85倍.但這兩種方法相比,生物/乳酸處理的玉米秸稈的產(chǎn)氫能力僅比生物處理的玉米秸稈的產(chǎn)氫能力提高了12.57%,而且操作復(fù)雜,成本高,反應(yīng)條件劇烈,缺乏工業(yè)應(yīng)用的前景.因此本課題組重點(diǎn)進(jìn)行了利用生物預(yù)處理方法提高玉米秸稈產(chǎn)氫能力的研究.

為探討生物預(yù)處理提高產(chǎn)氫能力的機(jī)理,作者進(jìn)一步分析了玉米秸稈原樣,生物預(yù)處理的玉米秸稈和產(chǎn)氫后的玉米秸稈中的還原糖、乳酸、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量.結(jié)果證明經(jīng)過(guò)生物預(yù)處理的玉米秸稈,26.04%的秸稈被添加劑中的微生物降解利用,其還原糖含量由7.3%提高到21.2%,乳酸由0%提高到2.1%,半纖維素的含量由24.4%降到19.36%,纖維素和木質(zhì)素含量變化不大.經(jīng)產(chǎn)氫后的秸稈殘?jiān)形礄z測(cè)到可溶性還原糖和乳酸,而且秸稈中的半纖維素含量由19.36%大幅度降低至4.93%,秸稈的利用率為18.61%,這說(shuō)明經(jīng)生物預(yù)處理秸稈中的半纖維素被水解成可溶性還原糖和乳酸,這些還原糖和乳酸對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫有較大貢獻(xiàn).另外,產(chǎn)氫后的秸稈殘?jiān)邪肜w維素含量的大幅度降低,說(shuō)明小熊貓糞中的天然產(chǎn)氫微生物能很好地利用秸稈中的半纖維素,半纖維素對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫能力的提高有較大貢獻(xiàn).

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Effect of hydrolysis pretreatment of corn stalk wastes on fermentation hydrogen production

ZHU Deng-yong1,WU Chao-jun1,MA Hong-cui2,FAN Yao-ting1＊

(1.Department of Chemistry,Zhengzhou University,Zhengzhou450052,Henan,China;
2.College of Light Industry,Hebei Polytechnic University,Tangshan063000,Hebei,China)

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A

1008-1011(2011)01-0014-03

2010-08-16.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2009CB220005).

朱登勇(1978-),助工,從事應(yīng)用化學(xué)研究.＊

,E-mail:yt.fan@zzu.edu.cn.