陳世平,湯曉玉,肖澤儀*,王文國(guó),尹小波,VENKATESHBalan,吳 波,胡啟春
(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,成都610065;2.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,成都610041;3.密歇根州立大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程系,美國(guó)蘭辛48910)
?
玉米秸稈水解殘?jiān)鼌捬跸漠a(chǎn)氣性能
陳世平1,湯曉玉2*,肖澤儀1*,王文國(guó)2,尹小波2,VENKATESHBalan3,吳波2,胡啟春2
(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,成都610065;2.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,成都610041;3.密歇根州立大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程系,美國(guó)蘭辛48910)
摘要:為了考察玉米秸稈水解殘?jiān)║nhydrolyzed solid,UHS)的厭氧消化產(chǎn)甲烷潛力,研究了接種物類型、接種比例以及發(fā)酵溫度對(duì)UHS產(chǎn)氣性能的影響。結(jié)果表明,餐廚垃圾厭氧消化液作為接種物時(shí),UHS具有較高的產(chǎn)氣能力,累積甲烷產(chǎn)量達(dá)到208.06 mL· g(-1)VS;UHS的累積甲烷產(chǎn)量與接種物對(duì)底物的比值(Inoculum to substrate ratios, R(I/S))有關(guān),其值隨著接種比例的減小而逐漸降低,當(dāng)接種比例R(I/S)為0.1:1~3:1時(shí),累積甲烷產(chǎn)量為111.20~224.48 mL·g(-1)VS,UHS的生物降解率為27.89%~56.29%,其降解能力隨著底物濃度的升高而降低;在高溫發(fā)酵(55℃)和中溫發(fā)酵(35℃)條件下,相同接種比例的對(duì)照組中,UHS累積甲烷產(chǎn)量較為接近,但高溫發(fā)酵的產(chǎn)氣速率明顯高于中溫發(fā)酵。
關(guān)鍵詞:玉米秸稈;水解殘?jiān)粎捬?;甲烷;發(fā)酵
陳世平,湯曉玉,肖澤儀,等.玉米秸稈水解殘?jiān)鼌捬跸漠a(chǎn)氣性能[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35(3):584-589.
CHEN Shi-ping, TANG Xiao-yu, XIAO Ze-yi, et al. Biogas production of unhydrolyzed solid from corn stover hydrolysate by anaerobic digestion[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(3): 584-589.
纖維素乙醇以其原料來(lái)源廣泛、儲(chǔ)量豐富、可持續(xù)利用以及非糧食性等特點(diǎn),成為最有希望替代化石燃料的可再生能源之一[1-2]。然而通過(guò)生物化學(xué)途徑(預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵等)將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的水解殘?jiān)烧嫉皆系?5%~35%[3]。實(shí)際上這些水解殘?jiān)写罅课幢焕玫奶穷惡湍举|(zhì)素,其潛在的熱能和含碳量分別為原料的36%和40%[4]。因此,回收并利用這部分碳源對(duì)減少?gòu)U棄物的排放和提高過(guò)程收益具有重要意義。
目前大多數(shù)木質(zhì)纖維素生物煉制廠將這部分廢棄物直接燃燒用于發(fā)電和供熱,利用價(jià)值不高[5]。部分生物煉制工藝考慮從中提取木質(zhì)素,用于生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品,而木質(zhì)素高值化利用技術(shù)要求其純度高且不含共價(jià)結(jié)合的糖類,同時(shí)提取過(guò)程對(duì)木質(zhì)素的化學(xué)修飾程度低。常用的各類提取木質(zhì)素的化學(xué)方法(如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿處理等)會(huì)不同程度地影響原木質(zhì)素的鏈接鍵和化學(xué)結(jié)構(gòu)。而有機(jī)溶劑萃取又面臨著回收成本高、溶劑具有毒性等問(wèn)題[6-7]。為此,本研究采用反應(yīng)條件溫和且環(huán)境友好的生物方法,即通過(guò)厭氧消化將水解殘?jiān)械臍執(zhí)寝D(zhuǎn)化為能量物質(zhì)(沼氣),同時(shí)使其中的木質(zhì)素得以富集并進(jìn)行后續(xù)的高值化利用。本文重點(diǎn)探討了接種物類型、接種比例以及發(fā)酵溫度等參數(shù)對(duì)水解殘?jiān)a(chǎn)氣潛力的影響。本研究結(jié)果將為后續(xù)的木質(zhì)素分離及纖維素乙醇的過(guò)程廢棄物利用奠定基礎(chǔ)。
1.1實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)采用的玉米秸稈水解殘?jiān)║HS)由美國(guó)密歇根州立大學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室提供。其制備方法如下:首先將玉米秸稈在120℃條件下采用氨纖維爆破預(yù)處理1 h[8],然后利用復(fù)合纖維素酶進(jìn)行水解168 h,通過(guò)離心分離去除水解液得到固體殘?jiān)?,再用去離子水洗兩次(去除殘留在固體殘?jiān)械目扇苄蕴牵詈蟮玫降墓腆w殘?jiān)?0℃下烘干過(guò)夜并保存?zhèn)溆谩?/p>
實(shí)驗(yàn)采用的接種物餐廚垃圾厭氧消化液、制藥廢水厭氧消化液和污水廠的厭氧消化污泥均來(lái)自農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所微生物研究中心。先用80目篩子過(guò)濾接種物以去除其中的大顆粒物質(zhì),然后放入恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行發(fā)酵,直至不再產(chǎn)氣為止。各接種物的主要特性如表1所示。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)采用批次厭氧消化的方法,用118 mL的血清瓶作為厭氧發(fā)酵瓶,發(fā)酵體積為60 mL,通過(guò)恒溫培養(yǎng)箱控制發(fā)酵溫度。采用不添加底物的接種物作為對(duì)照,每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)置兩個(gè)平行樣。UHS的凈產(chǎn)氣量為實(shí)驗(yàn)組(UHS+接種物)產(chǎn)氣量減去對(duì)照組(接種物)產(chǎn)氣量。接種后將發(fā)酵液pH值調(diào)節(jié)到7.0±0.1,然后加塞密封并通入氮?dú)? min,排出頂空氣體,以保證瓶?jī)?nèi)的厭氧環(huán)境。
1.2.1接種物對(duì)UHS產(chǎn)氣潛力的影響
分別以餐廚垃圾厭氧消化液、制藥廢水厭氧消化液和污水廠的厭氧消化污泥作為厭氧發(fā)酵接種物。接種物與底物比值RI/S為3:1[基于揮發(fā)性固體(VS)計(jì)算],發(fā)酵溫度為35℃。定期取樣測(cè)量產(chǎn)甲烷體積和甲烷含量。
1.2.2接種比例對(duì)UHS產(chǎn)氣潛力的影響
以餐廚垃圾厭氧消化液為接種物,實(shí)驗(yàn)時(shí)保持接種物的添加量不變,通過(guò)改變底物的添加量將RI/S分別設(shè)置為3:1、2:1、1:1、0.5:1、0.25:1、0.1:1、0.05:1,不同接種比例條件下的底物和接種物添加量如表2所示,發(fā)酵溫度為35℃。定期取樣測(cè)量甲烷產(chǎn)量、甲烷含量及揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度。
表1 接種物的特性Table 1 Characteristics of inoculums
表2 接種比例實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Inoculum to substrate ratios in experiment
1.2.3溫度對(duì)UHS產(chǎn)氣潛力的影響
以餐廚垃圾厭氧消化液為接種物,根據(jù)接種比例對(duì)UHS發(fā)酵性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)化選取RI/S為3:1、2:1、1:1、0.5:1、0.25:1五個(gè)接種比例,發(fā)酵溫度分別為35℃和55℃。定期取樣測(cè)量甲烷產(chǎn)量、甲烷含量和VFA濃度。
1.3分析方法
總固體(TS)、揮發(fā)性固體(VS)和灰分的含量測(cè)定采用烘干法。
沼氣產(chǎn)量通過(guò)集氣法進(jìn)行測(cè)量。氣體含量采用氣相色譜儀(GC122)分析,色譜柱為碳分子篩TDX-01 (2 m×2 mm),采用TCD檢測(cè)器,色譜條件如下:柱溫120℃,進(jìn)樣器溫度120℃,檢測(cè)器溫度150℃,載氣為H2,進(jìn)樣量100 μL。
VFA采用氣相色譜儀(GC112)分析,色譜柱為填充柱(3 mm×1.5 mm),采用FID檢測(cè)器,色譜條件如下:柱溫160℃,進(jìn)樣器溫度210℃,檢測(cè)器溫度230℃,載氣為Ar,氣體壓力0.17 MPa,進(jìn)樣量2 μL。
UHS的成分分析按照美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)方法[9]進(jìn)行,其中葡聚糖、木聚糖和阿拉伯糖采用高效液相色譜儀(Agilent LC1200)分析,色譜柱為Aminex HPX-87X,采用RID檢測(cè)器,色譜條件如下:柱溫35℃,流動(dòng)相5 mmol·L-1H2SO4溶液,流速0.6 mL·min-1,進(jìn)樣量10 μL。
1.4生物降解率計(jì)算
UHS的經(jīng)驗(yàn)分子式為CaHbOcNd,其中a=1,b= 1.32,c=0.80,d=0.23(以UHS各元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)作為計(jì)算依據(jù),各元素含量分別為C=44.60%、H=4.92%、O=47.50%、N=2.94%)。假設(shè)UHS的全部化學(xué)計(jì)量轉(zhuǎn)化為CH4和CO2,采用Buswell's方程[10]計(jì)算得到理論甲烷產(chǎn)量為389.77 mL·g-1VS。生物降解率(B0-Thatc)可以通過(guò)實(shí)際甲烷產(chǎn)量和理論甲烷產(chǎn)量的比值得到:
2.1UHS的成分分析
UHS的主要成分如表3所示。從表中數(shù)據(jù)看出,其主要含有未水解的聚糖和木質(zhì)素,含量分別為20.74%和52.49%,其中聚糖主要包括葡聚糖、木聚糖和阿拉伯聚糖。存在較高聚糖的主要原因,可能是由于玉米秸稈在酶水解過(guò)程采用的真菌酶復(fù)合制劑中,缺少某些能斷裂這些聚糖鏈接鍵的酶活,使其不能被完全降解[11-12]。此外,氨纖維爆破預(yù)處理過(guò)程不能將木質(zhì)素溶解并去除,因此木質(zhì)素含量較高[13-14]。
2.2接種物對(duì)UHS產(chǎn)氣潛力的影響
將UHS添加到三種不同的接種物中進(jìn)行厭氧發(fā)酵,對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組累積甲烷產(chǎn)量和甲烷濃度變化如圖1所示,整個(gè)發(fā)酵過(guò)程持續(xù)40 d。將實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣量減去對(duì)照組產(chǎn)氣量為UHS的凈產(chǎn)氣量。由圖1可以看出,三種接種物都能不同程度地厭氧降解UHS產(chǎn)生沼氣。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在相同的接種比例以及發(fā)酵時(shí)間里,以餐廚垃圾消化液為接種物時(shí),累積甲烷產(chǎn)量明顯高于其他兩種接種物。發(fā)酵結(jié)束時(shí),UHS的累積甲烷產(chǎn)量為208.06 mL·g-1VS,較其他兩種接種物分別高出36.5%和36.8%。從甲烷濃度變化曲線來(lái)看,餐廚垃圾消化液作為接種物時(shí),甲烷濃度能很快達(dá)到穩(wěn)定,并保持在59%左右,高于其他兩種接種物在發(fā)酵穩(wěn)定時(shí)的甲烷濃度。餐廚垃圾厭氧消化液作為接種物時(shí),UHS具有較好的產(chǎn)氣能力,通過(guò)紫外顯微鏡觀察,其厭氧消化液中微生物種類和數(shù)量較多、活性較強(qiáng)。
表3 UHS主要成分Table 3 Main composition of UHS
圖1 不同接種物下UHS厭氧消化的累積甲烷產(chǎn)量和甲烷含量Figure 1 Cumulative methane production and methane content during UHS anaerobic digestion at different inoculums
2.3接種比例對(duì)UHS產(chǎn)氣潛力的影響
2.3.1不同接種比例下UHS的產(chǎn)氣潛力
餐廚垃圾消化液對(duì)UHS有更好的降解能力,因此選其作為接種物開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。不同接種比例下UHS厭氧消化過(guò)程的累積甲烷產(chǎn)量如圖2所示。當(dāng)接種比例RI/S>0.1:1時(shí)(此時(shí)底物濃度小于45 g VS· L-1),各組實(shí)驗(yàn)都能正常產(chǎn)氣??傮w上累積甲烷產(chǎn)量隨著接種比例減小而逐漸降低,與Li等[15]研究藻渣的厭氧消化性能,以及Alzate等[16]研究微藻產(chǎn)甲烷潛力時(shí)的變化規(guī)律一致。這是由于接種比例高,在接種物濃度不變的情況下,底物濃度降低,接種物與底物接觸充分,對(duì)其降解更為徹底;隨著接種比例降低,其對(duì)應(yīng)的底物濃度逐漸增大,而VFA累積濃度隨著底物濃度增大而增大,過(guò)高的VFA會(huì)對(duì)甲烷菌生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的抑制作用。當(dāng)接種比例RI/S為0.05:1時(shí),底物濃度達(dá)到90.00 g VS·L-1,此時(shí)由于VFA累積濃度過(guò)高,使得產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷過(guò)程失去平衡,導(dǎo)致發(fā)酵失敗。6個(gè)不同接種比例下UHS的最終累積甲烷產(chǎn)量變化范圍為111.20~224.48 mL·g-1VS。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果值低于付善飛等[17]用玉米秸稈做厭氧發(fā)酵時(shí)的累積甲烷產(chǎn)量299.80 mL·g-1VS,而與Raposo等[18]用玉米秸稈為原料時(shí)的累積甲烷產(chǎn)量196.00~233.00 mL·g-1VS較為接近。這可能與采用的接種物不同有關(guān),同時(shí)也說(shuō)明UHS的產(chǎn)氣潛力與傳統(tǒng)物料接近。
2.3.2發(fā)酵過(guò)程中VFA變化情況
VFA是厭氧發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)物水解的產(chǎn)物,同時(shí)也是產(chǎn)甲烷菌利用的底物,主要有乙酸、丙酸、丁酸等。VFA濃度是評(píng)價(jià)水解酸化和產(chǎn)甲烷平衡的重要指標(biāo)[19]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同接種比例下總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA,為乙酸、丙酸、丁酸濃度的總和)變化情況如圖3所示。在正常產(chǎn)氣的實(shí)驗(yàn)組中,TVFA總體上表現(xiàn)為先上升后下降,最后趨于平緩接近于零。這是因?yàn)楫a(chǎn)酸菌代謝速率明顯高于產(chǎn)甲烷菌,在發(fā)酵初期有機(jī)物在產(chǎn)酸菌的作用下快速降解,產(chǎn)酸速率大于消耗速率,所以TVFA快速累積,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,累積的TVFA逐漸被甲烷菌消耗,TVFA濃度下降。正常產(chǎn)氣的實(shí)驗(yàn)組在發(fā)酵第4 d左右TVFA達(dá)到最大值,且最大累積量均在4000 mg·L-1以下,低于Raposo等[18]用玉米秸稈為原料厭氧消化時(shí)的累積濃度5604 mg·L-1。王曉嬌等[20]研究則發(fā)現(xiàn),TVFA濃度小于4125 mg·L-1時(shí)對(duì)厭氧發(fā)酵的影響較小。當(dāng)接種比例RI/S為0.05:1時(shí),底物濃度為90.00 g VS·L-1,TVFA濃度變化如圖3所示。在發(fā)酵第8 d時(shí)TVFA達(dá)到6929 mg·L-1,pH值降低到5.5,發(fā)酵液嚴(yán)重酸化,對(duì)甲烷菌的生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制作用,導(dǎo)致產(chǎn)氣過(guò)程失敗。發(fā)酵40 d時(shí)TVFA濃度接近10 000 mg·L-1。
圖2 不同接種比例下UHS厭氧消化過(guò)程中的累積甲烷產(chǎn)量Figure 2 Cumulative methane production during UHS anaerobic digestion at different RI/S
圖3 UHS厭氧發(fā)酵過(guò)程中TVFA濃度變化Figure 3 Changes of TVFA during UHS anaerobic digestion process
2.4溫度對(duì)UHS產(chǎn)氣潛力的影響
不同發(fā)酵溫度下UHS的甲烷累積產(chǎn)量和TVFA變化情況如圖4所示??傮w上,UHS在高溫條件下有較高的產(chǎn)氣速率。厭氧發(fā)酵進(jìn)行到16 d時(shí),各接種比例下UHS的甲烷累積產(chǎn)量基本達(dá)到最終甲烷產(chǎn)量的80%以上,而達(dá)到相同的產(chǎn)量,中溫發(fā)酵時(shí)需要28 d以上。這是由于溫度與微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性和活性有關(guān),溫度的改變可以明顯影響厭氧消化過(guò)程微生物的活性,從而影響厭氧消化過(guò)程[21]。高溫環(huán)境使得微生物體內(nèi)酶活性較高,從而加快了代謝速率。從圖4中TVFA的變化情況可以看出,高溫時(shí)微生物的產(chǎn)酸速率和消耗酸的速率明顯高于中溫發(fā)酵組,特別是在較高的底物濃度條件下,高溫條件可以顯著提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率。
圖4 不同溫度下UHS累積甲烷產(chǎn)量及TVFA濃度變化Figure 4 Cumulative CH4production and TVFA changes at different temperatures
表4 不同溫度下UHS的降解性能Table 4 UHS biodegradability at different temperatures
表4給出了不同溫度、不同接種比例下UHS的累積甲烷產(chǎn)量和生物降解率。由表4可以看出,35℃和55℃時(shí)不同接種比例下累積甲烷產(chǎn)量分別為125.07~211.83 mL·g-1VS,134.20~220.49 mL·g-1VS,UHS的生物降解率分別為31.36%~53.12%、33.65%~55.29%。UHS中含有大量的木質(zhì)素(高達(dá)50%)和部分殘?zhí)?,?jīng)過(guò)厭氧消化后,其生物降解率最高可以達(dá)到55%,我們認(rèn)為,在此實(shí)驗(yàn)條件下除了殘?zhí)潜晦D(zhuǎn)化為沼氣外,木質(zhì)素也可能發(fā)生了一定程度的降解。這是由于UHS是秸稈經(jīng)過(guò)氨纖維爆破預(yù)處理和酶水解后的殘余物。氨纖維爆破預(yù)處理會(huì)對(duì)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的修飾,除了能夠破壞纖維素和木質(zhì)素之間的鏈接鍵外,也會(huì)使木質(zhì)素間復(fù)雜鏈接斷裂及CO-C鍵斷裂,形成木質(zhì)素低聚物。而木質(zhì)素在厭氧條件下的降解難易程度主要受木質(zhì)素片段大小的影響,木質(zhì)素單體和低聚物容易被代謝,因此UHS的生物降解率偏高可能是由于部分木質(zhì)素降解造成的[21-22]。相同接種比例下,高溫和中溫厭氧發(fā)酵組對(duì)應(yīng)的UHS累積甲烷產(chǎn)量較為接近,標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于6.40mL·g-1VS。從溫度對(duì)UHS厭氧消化性能的影響來(lái)看,雖然兩種溫度下UHS的最終累積甲烷產(chǎn)量較為接近,但高溫條件下有著較高的產(chǎn)氣速率,能夠更快地啟動(dòng)厭氧發(fā)酵過(guò)程。在實(shí)際工程運(yùn)用中應(yīng)綜合考慮發(fā)酵速率和發(fā)酵能耗之間的關(guān)系,擇優(yōu)選擇發(fā)酵溫度。
(1)用玉米秸稈的水解殘?jiān)M(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是可行的。在實(shí)驗(yàn)采用的三種接種物中,餐廚垃圾消化液對(duì)UHS有較好的產(chǎn)氣能力,比其他兩種接種物分別高出36.5%和36.8%。
(2)UHS的累積甲烷產(chǎn)量與接種物和底物的比值RI/S有關(guān),其值隨著接種比例減小而逐漸降低,當(dāng)接種比例RI/S從0.1:1~3:1時(shí),累積甲烷產(chǎn)量為111.20~224.48 mL·g-1VS,UHS的生物降解率為27.89%~56.29%。但當(dāng)接種比例RI/S為0.05:1時(shí),底物濃度過(guò)高,發(fā)酵液酸化,產(chǎn)氣過(guò)程失敗。
(3)高溫發(fā)酵和中溫發(fā)酵下UHS的累積甲烷產(chǎn)量較為接近,但高溫發(fā)酵產(chǎn)氣速率明顯高于中溫發(fā)酵。
參考文獻(xiàn):
[1] Guo M, Song W, Buhain J. Bioenergy and biofuels:History, status, and perspective[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 42:712-725.
[2] Balat M. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway:A review[J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52(2):858-875.
[3] Dwivedi P, Alavalapati J R R, Lal P. Cellulosic ethanol production in the United States:Conversion technologies, current production status, economics, and emerging developments[J]. Energy for Sustainable Development, 2009, 13(3):174-182.
[4] Jin M T, Sven G S, Henrik B M, et al. A new algorithm to characterize biodegradability of biomass during anaerobic digestion:Influence of lignin concentration on methane production potential[J]. Bioresource Technology, 2011, 102:9395-9402.
[5] Li Y Q, Zhang R H, Chen C, et al. Biogas production from co-digestion of corn stover and chicken manure under anaerobic wet, hemi-solid, and solid state conditions[J]. Bioresource Technology, 2013, 149:406-412.
[6] Rabelo S C, Carrere H, Filho R M, et al. Production of bioethanol, methane and heat from sugarcane bagasse in a biorefinery concept[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(17):7887-7895.
[7] Mosiera N, Wyman C, Dale B, et al. Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass[J]. Bioresource Technology, 2005, 96(6):673-686.
[8] Chundawat S P S, Vismeh R, Sharma L N, et al. Multifaceted characterization of cell wall decomposition products formed during ammonia fiber expansion(AFEX)and dilute acid based pretreatments[J]. Bioresource Technology, 2010, 101:8429-8438.
[9] National Renewable Energy Laboratory, Inc. Standard procedures for biomass compositional analysis[EB/OL].[2015-7-11]. http://www. nrel. gov/biomass/analytical_procedures. html.
[10] Raposo F, Fernández C V, Rubia M A, et al. Biochemical methane potential(BMP)of solid organic substrates:Evaluation of anaerobic biodegradability using data from an international interlaboratory study [J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2011, 86(8):1088-1098.
[11] Yue Z B, Li W W, Yu H Q. Application of rumen microorganisms for anaerobicbioconversionoflignocellulosicbiomass[J].Bioresource Technology, 2013, 128:738-744.
[12] Michael F P, Pascale C, Michael F C, et al. A biorefinery processing perspective:Treatment of lignocellulosic materials for the production of value-added products[J]. Bioresource Technology, 2010, 101:8915-8922.
[13] Amber N, Hoover J S T, Farzaneh T. Effect of pelleting process variables on physical properties and sugar yields of ammonia fiber expansion pretreated corn stover[J]. Bioresource Technology, 2014, 164:128-135.
[14] Liu Z G, Padmanabhan S, Cheng K, et al. Aqueous-ammonia delignification of miscanthus followed by enzymatic hydrolysis to sugars[J]. Bioresource Technology, 2013, 135:23-29.
[15] Li Y, Hua D L, Zhang J, et al. Influence of inoculums to substrate ratios (ISRs)on the performance of anaerobic digestion of algal residues[J]. Annals of Microbiology, 2014, 64:955-960.
[16] Alzate M E, Munoz R, Rogalla F, et al. Biochemical methane potential of microalgae:Influence of substrate to inoculums ratio, biomass concentration and pretreatment[J]. Bioresource Technology, 2012, 123:488-494.
[17]付善飛,許曉暉,師曉爽,等.厭氧發(fā)酵起始階段通氧對(duì)玉米秸稈產(chǎn)甲烷特性的影響[J].化工學(xué)報(bào), 2015, 66(3):1111-1117. FU Shan-fei, XU Xiao-hui, SHI Xiao-shuang, et al. Effect of oxygen supply at initial stage of anaerobic digestion on biogas production from corn straw[J]. CIESC Journal, 2015, 66(3):1111-1117.
[18] Raposo F, Banks C J, Siegert I, et al. Influence of inoculum to substrate ratio on the biochemical methane potential of maize in batch tests[J]. Process Biochemistry, 2006, 41:1444-1450.
[19] Wang Y Y, Zhang Y L, Wang J B, et al. Effects of volatile fatty acid concentrations on methane yield and methanogenic bacteria[J]. Biomass and Bioenergy, 2009, 33:848-853.
[20]王曉嬌,楊改河,馮永忠,等.牲畜糞便與秸稈混合的厭氧發(fā)酵效果及影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(12):2594-2601. WANG Xiao-jiao, YANG Gai-he, FENG Yong-zhong, et al. Anaerobic co-digestion effects of manure and straw and analysis of influencing factors[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(12):2594-2601.
[21]楊盛如,丁長(zhǎng)河,王羅琳,等.氨纖維爆破法預(yù)處理木質(zhì)纖維生物質(zhì)原料[J].釀酒, 2010, 37(5):16-19. YANG Sheng-ru, DING Chang-he, WANG Luo-lin, et al. Research on lignocellulosic biomass pretreatment using AFEX[J]. Liquor Making, 2010, 37(5):16-19.
[22] Tartakovsky B, Cimpoia R, Petti L, et al. Biodegradation of spent pulping liquor lignins under mesophilic and thermophilic anaerobic conditions[J]. Tappi Journal, 2003, 2(4):26-32.
Biogas production of unhydrolyzed solid from corn stover hydrolysate by anaerobic digestion
CHEN Shi-ping1, TANG Xiao-yu2*, XIAO Ze-yi1*, WANG Wen-guo2, YIN Xiao-bo2, VENKATESH Balan3, WU Bo2, HU Qi-chun2
(1.School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2.Biogas Institute of Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China; 3.Department of Materials Science and Chemical Engineering, Michigan State University, Lansing 48910, USA)
Abstract:Biochemical conversion in lignocellulosic biorefineries generates large amount of solid residues(Unhydrolyzed solids, UHS). The UHS mainly contains carbohydrates and lignin. Anaerobic digestion could be applied to convert those carbohydrates into CH4and to naturally enrich lignin for further utilization, thus improving the economics of the whole biorefinery process. Here the methane production potential of UHS derived from corn stover biorefinery was investigated under different types of inoculum, diverse inoculum to substrate ratios(R(I/S))and various fermentation temperatures. Results indicated that the biogas productivity of UHS was higher when using kitchen waste AD slurry as inoculum, and the cumulative methane production was up to 208.06 mL·g(-1)VS. The cumulative methane production decreased with decrease in R(I/S). When R(I/S)was in range of 0.1:1 to 3:1, the cumulative methane production was between 111.20 to 224.48 mL·g(-1)VS and the UHS biodegradability ranged from 27.89% to 56.29%. The biodegradability of UHS decreased as substrate concentration increased. The cumulative methane production was similar at both 55℃and 35℃at the same R(I/S), but the biogas production rate was much higher at 55℃.
Keywords:corn stover; unhydrolyzed solild; anaerobic; methane; fermentation
*通信作者:湯曉玉E-mail:tangxiaoyu@caas.cn;肖澤儀E-mail:mgch@scu.edu.cn
作者簡(jiǎn)介:陳世平(1991—),男,貴州人,碩士研究生,從事生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化方面的研究。E-mail:chenshiping2010@163.com
基金項(xiàng)目:四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(NO.2014HH0018);中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(CAAS-ASTIP-2015-BIOMA)
收稿日期:2015-09-09
中圖分類號(hào):X712
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672-2043(2016)03-0584-06
doi:10.11654/jaes.2016.03.023
農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2016年3期