朱 桃， 祝其麗， 李 強(qiáng) ， 湯曉玉， 趙昆煬， 吳 波

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041)

在全球能源危機(jī)和油價(jià)不斷上漲的大背景下，各國(guó)尋找新能源的腳步也前所未有地加快，其中生物燃料因有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和能源安全而備受關(guān)注[1]。木質(zhì)纖維素是自然界中來(lái)源最豐富的可再生生物質(zhì)資源之一[2]，通過(guò)生物煉制將其轉(zhuǎn)化為生物燃料和化學(xué)品是近年來(lái)各國(guó)的研究熱點(diǎn)[3]。

目前，對(duì)基于生物轉(zhuǎn)化的木質(zhì)纖維素生物煉制過(guò)程，無(wú)論采用酸性或者堿性預(yù)處理，都面臨纖維素水解不完全的問(wèn)題。研究表明，木質(zhì)纖維素中約有22%的聚糖不能通過(guò)酶水解被轉(zhuǎn)化利用[4]。這部分極難被降解的聚糖大量存在于水解殘?jiān)?，顯著降低了纖維素的糖得率，從而影響了整個(gè)生物煉制過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)一步降解和利用水解殘?jiān)械倪@部分難降解性糖類(lèi)，可以有效提高木質(zhì)纖維素的糖利用率，同時(shí)有助于水解殘?jiān)母咧缔D(zhuǎn)化。實(shí)際上水解殘?jiān)谐且酝膺€含有大量的木質(zhì)素，這些木質(zhì)素是天然的芳香化合物來(lái)源，可進(jìn)一步升級(jí)為高附加值的生物燃料、精細(xì)化學(xué)品和生物基材料[5-6]。有效地去除水解殘?jiān)写嬖诘碾y降解性糖類(lèi)是木質(zhì)素高效轉(zhuǎn)化的必要前提。近幾年來(lái)研究者們致力于尋找木質(zhì)素的提取方法，如加入酸或堿作為催化劑[7]。但這些提取方法會(huì)不同程度地破壞木質(zhì)素的天然結(jié)構(gòu)，且不能將糖進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用。有機(jī)溶劑等方法也存在成本過(guò)高、溶劑難以回收以及溶劑有毒性等問(wèn)題。因此本研究采用了厭氧分解的生物方法，將水解殘?jiān)须y降解性糖類(lèi)在厭氧條件下進(jìn)行分解并轉(zhuǎn)化為沼氣，同時(shí)富集木質(zhì)素。

目前，有關(guān)水解殘?jiān)须y降解性糖類(lèi)厭氧分解的研究甚少，大多數(shù)研究考察的都是秸稈等木質(zhì)纖維素中纖維素和半纖維素的厭氧降解性能[8-9]。Prasad Kaparaju[10]等利用小麥秸稈產(chǎn)醇或聯(lián)產(chǎn)醇?xì)夂蟮臍堅(jiān)M(jìn)行沼氣化利用，但未涉及殘?jiān)芯厶堑膮捬醴纸庋芯俊hrista[4]等系統(tǒng)地研究了水解殘?jiān)须y降解性糖類(lèi)的分子結(jié)構(gòu)信息。本文重點(diǎn)考察了不同厭氧消化條件下水解殘?jiān)须y降解性糖類(lèi)的降解規(guī)律、聚糖厭氧分解產(chǎn)甲烷的潛力及其碳利用率。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)研究的木質(zhì)纖維素原料為玉米秸稈水解殘?jiān)?，其制備流程如下：玉米秸稈→氨纖維爆破預(yù)處理→酶水解→水洗→干燥備用。其主要成分如前所述[11]。水解殘?jiān)腡S和VS分別為97.55%和68.87%。

本實(shí)驗(yàn)采用的接種污泥為餐廚垃圾厭氧消化液[11]，用80目篩子過(guò)濾去除大顆粒物質(zhì)后，放入恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行發(fā)酵直至不再產(chǎn)氣為止，作為厭氧消化的接種物。中溫消化時(shí)，接種物的TS為0.86%，VS為0.52%。高溫消化時(shí)，接種物的TS為0.73%，VS為0.47%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用批次厭氧消化的方法，用600 mL的血清瓶作為厭氧消化瓶，有效體積為350 mL，通過(guò)恒溫培養(yǎng)箱控制溫度。采用不添加底物的接種物作為空白對(duì)照，并設(shè)置三個(gè)平行樣；每個(gè)接種比例的實(shí)驗(yàn)組設(shè)置兩個(gè)平行樣。水解殘?jiān)膬舢a(chǎn)氣量為實(shí)驗(yàn)組(水解殘?jiān)?接種物)產(chǎn)氣量減去空白對(duì)照(接種物)產(chǎn)氣量。接種后將消化液的pH值調(diào)節(jié)到7.0±0.1，再將消化瓶加塞密封并充氮?dú)? min，排出瓶?jī)?nèi)的空氣，以確保瓶?jī)?nèi)為厭氧環(huán)境。

厭氧消化實(shí)驗(yàn)時(shí)接種物和底物的比例(基于VS)分別設(shè)置為2∶1，1∶1，0.5∶1，0.25∶1，裝瓶時(shí)保持接種物的添加量不變，改變底物的添加量以實(shí)現(xiàn)不同的接種比例。35℃和55℃的接種物添加量分別為0.52%和0.47%(基于VS)。定期取樣測(cè)量沼氣產(chǎn)量和甲烷含量。

1.3 分析方法

沼氣產(chǎn)量通過(guò)壓力法進(jìn)行測(cè)量。甲烷含量采用氣相色譜測(cè)定，色譜儀型號(hào)為上分GC122，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，氣體壓力為0.38 MPa，進(jìn)樣體積500 μL。

玉米秸稈水解殘?jiān)蛥捬跸瘹堅(jiān)煞址治霭凑彰绹?guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NERL)的標(biāo)準(zhǔn)方法[12]進(jìn)行。先將烘干的固體采用稀硫酸溶液進(jìn)行水解，再用高效液相色譜儀(Agilent LC1200)分析水解液中的葡萄糖和木糖，所用色譜柱為Aminex HPX-87H，采用RID檢測(cè)器，色譜條件如下：柱溫35℃，流動(dòng)相5 mmol·L-1硫酸溶液，流速0.6 mL·min-1，進(jìn)樣量20 μL。酸不溶木質(zhì)素和灰分采用差重法測(cè)定[13]。

玉米秸稈水解殘?jiān)蛥捬跸瘹堅(jiān)挠袡C(jī)元素(C，H，O，N)采用有機(jī)元素分析儀(Elementar Vario EL cube)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同厭氧分解條件下水解殘?jiān)芯厶呛孔兓?/h3>

為了考察厭氧分解水解殘?jiān)须y降解性糖類(lèi)的效果，研究了不同溫度和接種比例條件下水解殘?jiān)芯厶呛康淖兓?。厭氧分解前后水解殘?jiān)械闹饕厶?葡聚糖和木聚糖)的含量如圖1～圖4所示。水解殘?jiān)衅暇厶呛湍揪厶呛糠謩e為14.36%和4.22%。由圖可知，接種物的聚糖含量在厭氧消化過(guò)程中幾乎沒(méi)有變化，而不同分解條件下水解殘?jiān)械钠暇厶呛湍揪厶呛烤兴档汀Ｔ谙嗤臏囟认?，厭氧消化殘?jiān)衅暇厶呛湍揪厶堑暮慷茧S著接種比例的增大而降低。在中溫(35℃)條件下，當(dāng)接種比例從0.25∶1升高至2∶1時(shí)，厭氧消化殘?jiān)衅暇厶呛繌?.30%降低到3.77%，木聚糖含量從2.29%降低到1.18%。但當(dāng)接種比例低于或等于0.5∶1時(shí)，木聚糖含量不再變化。高溫發(fā)酵(55℃)條件下，厭氧消化殘?jiān)芯厶呛康淖兓厔?shì)與中溫條件相同。隨著接種比例的升高，厭氧消化殘?jiān)衅暇厶呛繌?.88%降低至4.09%，木聚糖含量從1.70%降低至1.06%。由此可見(jiàn)，接種比例越高，厭氧消化殘?jiān)须y降解性聚糖的含量越低，說(shuō)明厭氧降解的程度越高。但從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，接種比例不能無(wú)限提高。對(duì)比中溫和高溫條件，在相同的接種比例時(shí)，高溫下厭氧消化殘?jiān)衅暇厶呛湍揪厶堑暮烤陀谥袦?2∶1除外)。當(dāng)采用2∶1的比例時(shí)，厭氧消化殘?jiān)袃蓚€(gè)溫度下葡聚糖和木聚糖含量相當(dāng)，分別為4%和1%左右。這可能是因?yàn)榇藭r(shí)水解殘?jiān)薪到庑跃厶堑膮捬醴纸庖呀?jīng)達(dá)到瓶頸，難以被進(jìn)一步降解。總的來(lái)說(shuō)，采用高溫條件(55 ℃)和較高的接種比例(2∶1)，難降解性聚糖的厭氧降解更為徹底。結(jié)果表明，在優(yōu)化的工藝條件下，采用厭氧分解的方法可以將玉米秸稈酶水解殘?jiān)械臍執(zhí)墙档椭凛^低水平。

2.2 不同厭氧分解條件對(duì)水解殘?jiān)芯厶墙到饴实挠绊?/h3>

不同溫度和接種比例條件下，水解殘?jiān)衅暇厶呛湍揪厶堑膮捬踅到饴嗜鐖D5所示。由于厭氧消化后，水解殘?jiān)徒臃N物混合在一起，較難采用物理方法分離，故：

圖1 35 ℃條件下厭氧分解前后的葡聚糖含量

圖2 35 ℃條件下厭氧分解前后的木聚糖含量

圖3 55 ℃條件下厭氧分解前后的葡聚糖含量

圖4 55 ℃條件下厭氧分解前后的木聚糖含量

降解率=[水解殘?jiān)芯厶琴|(zhì)量-消化殘?jiān)芯厶琴|(zhì)量+消化后接種物中的聚糖質(zhì)量]/水解殘?jiān)芯厶呛俊?00%

不同厭氧分解條件下聚糖的降解率如圖所示。在同一溫度下，消化殘?jiān)衅暇厶呛湍揪厶堑慕到饴孰S著接種比例的增大而升高，且木聚糖的轉(zhuǎn)化率高于葡聚糖。當(dāng)接種比例等于或者小于0.5∶1時(shí)，木聚糖的轉(zhuǎn)化率基本不再變化。這與厭氧消化殘?jiān)心揪厶堑暮孔兓厔?shì)一致。中溫和高溫條件下，聚糖降解率隨接種比例的變化趨勢(shì)相同。但高溫條件下，葡聚糖和木聚糖的降解率均略高于中溫條件。55 ℃條件下，接種比例RI/S為2∶1時(shí)，葡聚糖和木聚糖的降解率最高，分別為54%和76%。說(shuō)明在優(yōu)化的厭氧分解條件下，水解殘?jiān)屑s有一半以上的葡聚糖和3/4的木聚糖被降解，為后續(xù)水解殘?jiān)募兓於嘶A(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Yun Hu[8]等用玉米秸稈在沼液的不同循環(huán)方式下做厭氧消化時(shí)纖維素和半纖維素降解率變化相似，纖維素和半纖維素的降解率不僅在數(shù)值上與本實(shí)驗(yàn)中葡聚糖和木聚糖的降解率接近，半纖維素的降解率高于纖維素這一結(jié)果還與本實(shí)驗(yàn)中木聚糖的降解率高于葡聚糖相同。

圖5 不同溫度和接種比例下聚糖的降解率

2.3 不同厭氧分解條件下水解殘?jiān)漠a(chǎn)氣情況

水解殘?jiān)械木厶墙?jīng)過(guò)厭氧分解后，被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為沼氣。不同溫度和接種比例條件下，水解殘?jiān)漠a(chǎn)甲烷情況如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知，在考察的溫度和接種比例條件下，各實(shí)驗(yàn)組都能正常產(chǎn)氣。總體上，在同一溫度下累積甲烷產(chǎn)量隨著接種比例的增大而逐漸升高，這與郗登寶[14]等研究不同接種量對(duì)玉米秸稈厭氧消化產(chǎn)氣的影響，以及Yan Li[15]等研究接種比例對(duì)藻渣厭氧消化性能的影響時(shí)的變化規(guī)律一致。相同接種比例的條件下，水解殘?jiān)邷貢r(shí)的產(chǎn)氣速率明顯高于中溫消化。高溫消化大約在10天左右產(chǎn)氣就進(jìn)入平緩期，此時(shí)各接種比例下水解殘?jiān)睦鄯e甲烷產(chǎn)量基本達(dá)到最終甲烷產(chǎn)量的75%左右，而中溫消化時(shí)達(dá)到相同的產(chǎn)量則需要34 d以上。高溫條件下，沼氣發(fā)酵在接種后的第2天就迅速開(kāi)始啟動(dòng)，各發(fā)酵樣品即有大量甲烷產(chǎn)生，在后續(xù)的3～5 d日產(chǎn)氣量達(dá)到峰值，說(shuō)明大部分難降解性聚糖在這個(gè)時(shí)期被水解細(xì)菌迅速分解，并轉(zhuǎn)化為沼氣。相比之下，中溫條件下的產(chǎn)氣速率更慢，可能與水解菌的活性有關(guān)。從厭氧分解難降解性聚糖的角度來(lái)看，高溫條件更為適合。

2.4 水解殘?jiān)鼌捬醴纸膺^(guò)程的甲烷產(chǎn)量和碳利用率

不同溫度和接種比例條件下，水解殘?jiān)淖罱K甲烷產(chǎn)量以及碳利用率如表1所示。

碳利用率=累積甲烷中的碳質(zhì)量/[消化前接種物中的碳質(zhì)量+水解殘?jiān)械奶假|(zhì)量]× 100%。

從表1中可以看出，在相同的溫度下，最終甲烷產(chǎn)量隨著接種比例的減小而降低。碳利用率也隨著接種比例的減小而降低。這與前述的聚糖含量的變化一致。接種比例越小，厭氧分解后剩余的聚糖含量越高，水解殘?jiān)杏袡C(jī)碳轉(zhuǎn)化為甲烷的效率越低，最終甲烷產(chǎn)量也就越低。在相同接種比例條件下，水解殘?jiān)邷叵淖罱K甲烷產(chǎn)量和碳利用率均高于中溫消化，這與圖1中高溫消化條件下水解殘?jiān)鼌捬醴纸夂缶厶呛康陀谥袦叵?，以及圖2中高溫消化條件下水解殘?jiān)鼌捬醴纸膺^(guò)程中聚糖的降解率高于中溫消化的結(jié)果相符合。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果大多數(shù)低于馮雪梅[9]等研究藻渣添加對(duì)玉米秸稈厭氧消化特征的影響時(shí)的最終甲烷產(chǎn)量18.7～218.7 mL·g-1VS，除了是因?yàn)樘砑釉逶茱@著提高厭氧消化體系的產(chǎn)氣效率之外，也可能是因?yàn)榻臃N物種類(lèi)、接種比例和發(fā)酵底物的不同。在中溫消化和相同接種比例的對(duì)照組中，水解殘?jiān)淖罱K甲烷產(chǎn)量大部分低于Yan Li[15]等用藻渣做厭氧消化時(shí)的最終甲烷產(chǎn)量26.6～210.6 mL·g-1VS，這可能是因?yàn)榻臃N物餐廚垃圾厭氧消化液的高氨氮濃度抑制了水解殘?jiān)鼌捬跸漠a(chǎn)甲烷過(guò)程。此外，在中溫消化條件下，接種比例RI/S(基于VS)為0.5∶1時(shí)，水解殘?jiān)鼌捬醴纸夂蟮淖罱K甲烷產(chǎn)量與Heng Li[16]等用玉米秸稈做厭氧消化時(shí)的最終甲烷產(chǎn)量145±28 mL·g-1VS較為接近，這表明水解殘?jiān)漠a(chǎn)甲烷潛力與玉米秸稈等木質(zhì)纖維素原料接近。

圖6 35 ℃條件下水解殘?jiān)鼌捬醴纸膺^(guò)程的累積甲烷產(chǎn)量

圖7 55 ℃條件下水解殘?jiān)鼌捬醴纸膺^(guò)程的累積甲烷產(chǎn)量

表1 不同溫度和接種比例下水解殘?jiān)漠a(chǎn)氣性能和碳利用率

3 結(jié)論

(1)采用厭氧分解的方法可以有效地降低木質(zhì)纖維素水解殘?jiān)须y降解性糖類(lèi)的濃度。厭氧分解后的聚糖含量隨接種比例的增大而降低，聚糖降解率隨接種比例的增大而升高，高溫條件下的降解程度高于中溫條件，木聚糖的降解率略高于葡聚糖。在高溫消化和接種比例為2∶1時(shí)，水解殘?jiān)芯厶墙到庑Ч罴?，厭氧分解后葡聚糖和木聚糖的含量分別降低至4%和1%左右。

(2)水解殘?jiān)须y降解性糖類(lèi)厭氧分解后轉(zhuǎn)化為沼氣。其最終甲烷產(chǎn)量隨接種比例的增大而升高；高溫條件下的最終甲烷產(chǎn)量、產(chǎn)氣速率和碳利用率均高于中溫條件。水解殘?jiān)鼌捬醴纸獾募淄楫a(chǎn)量最高可達(dá)184.70 mL·g-1VS。

(3)本研究成果可以為木質(zhì)纖維素生物煉制過(guò)程水解殘?jiān)幕厥绽锰峁┬碌耐緩剑瑫r(shí)也為研究木質(zhì)纖維素中難降解性糖類(lèi)的降解問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

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