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在全球能源危機和油價不斷上漲的大背景下,各國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濟發展、環境保護和能源安全而備受關注。木質纖維素是自然界中來源最豐富的可再生生物質資源之  通過生物煉制將其轉化為生物燃料和化學品是近年來各國的研究熱點

目前,對基于生物轉化的木質纖維素生物煉制  過程,無論采用酸性或者堿性預處理,都面臨纖維素

水解不完全的問題。研究表明,木質纖維素中約有  22%的聚糖不能通過酶水解被轉化利用4。這部  分極難被降解的聚糖大量存在于水解殘渣中,顯著  降低了纖維素的糖得率,從而影響了整個生物煉制  過程的經濟性。進一步降解和利用水解殘渣中的這  部分難降解性糖類,可以有效提高木質纖維素的糖  利用率,同時有助于水解殘渣的高值轉化。實際上  水解殘渣中除糖以外還含有大量的木質素,這些木  質素是天然的芳香化合物來源,可進一步升級為高

附加值的生物燃料、精細化學品和生物基材料有效地去除水解殘渣中存在的難降解性糖類是木質素高效轉化的必要前提。近幾年來研究者們致力于尋找木質素的提取方法,如加入酸或堿作為催化劑”。但這些提取方法會不同程度地破壞木質素的天然結構,且不能將糖進行轉化利用。有機溶劑等方法也存在成本過高、溶劑難以回收以及溶劑有毒性等問題。因此本研究采用了沼氣池厭氧分解的生物方法,將水解殘渣中難降解性糖類在沼氣池厭氧條件下進行分解并轉化為沼氣,同時富集木質素

目前,有關水解殘渣中難降解性糖類沼氣池厭氧分解的研究甚少,大多數研究考察的都是秸稈等木質纖維素中纖維素和半纖維素的沼氣池厭氧降解性能Prasad Kaparaju1)等利用小麥秸稈產醇或聯產醇氣后的殘渣進行沼氣化利用,但未涉及殘渣中聚糖的沼氣池厭氧分解研究。 Christa“等系統地研究了水解殘渣中難降解性糖類的分子結構信息。本文重點考察了不同沼氣池厭氧消化條件下水解殘渣中難降解性糖類的降解規律、聚糖沼氣池厭氧分解產甲烷的潛力及其碳利用率。1材料與方法

1.1實驗材料

本實驗研究的木質纖維素原料為玉米秸稈水解殘渣其制備流程如下:玉米秸稈→氨纖維爆破預處理一酶水解→水洗→干燥備用。其主要成分如前所述。水解殘渣的TS和WS分別為97.55%和68.87%

本實驗采用的接種污泥為餐廚垃圾沼氣池厭氧消化液,用80目篩子過濾去除大顆粒物質后,放入恒溫培養箱進行發酵直至不再產氣為止,作為沼氣池厭氧消化的接種物。中溫消化時,接種物的TS為0.86%VS為0.52%。高溫消化時,接種物的Ts為0.73%,VS為0.47%

12實驗方法

本實驗采用批次沼氣池厭氧消化的方法,用60m的  血清瓶作為沼氣池厭氧消化瓶,有效體積為350mL,通過  恒溫培養箱控制溫度。采用不添加底物的接種物作  為空白對照,并設置三個平行樣;每個接種比例的實  驗組設置兩個平行樣。水解殘渣的凈產氣量為實驗  組(水解殘渣+接種物)產氣量減去空白對照(接種  物)產氣量。接種后將消化液的pH值調節到7.0±  0.1,再將消化瓶加塞密封并充氮氣5min,排出瓶內  的空氣,以確保瓶內為沼氣池厭氧環境。  沼氣池厭氧消化實驗時接種物和底物的比例(基于

Vs)分別設置為2:1,1:1.0.5:1.0.25:1,裝  持接種物的添加量不變,改變底物的添加量以  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)。定期取樣測量  氣產量和甲烷含量

1.3分析方法  A,沼氣產量通過壓力法進行測量。甲烷含量采用  色譜測定,色諧儀型號為上分C012色柱為  碳分子篩TDX41(2mx2mm),采用TCD檢測器  色譜條件如下:柱溫120℃,進樣器溫度120℃,檢潤  器溫度150℃,載氣為H2,氣體壓力為0.38MP,是樣體積500μL

玉米秸稈水解殘渣和沼氣池厭氧消化殘渣成分分析按照美國國家可再生能源實驗室(NERL)的標準方  法進行。先將烘干的固體采用稀硫酸溶液進行  水解,再用高效液相色譜儀( Agilent L200)分析水  液中的葡萄糖和木糖,所用色譜柱為 Aminex HPX  87H,采用RID檢測器,色譜條件如下:柱溫35℃,流動相5mmdl·L硫酸溶液,流速0.6m,min,進樣量20μL。酸不溶木質素和灰分采用差重法淵定

玉米秸稈水解殘渣和沼氣池厭氧消化殘渣的有機元素(C,H,O,N)采用有機元素分析儀( Elementar varioEL cube)進行分析

2結果與討論

2.1不同沼氣池厭氧分解條件下水解殘渣中聚糖含量變

為了考察沼氣池厭氧分解水解殘渣中難降解性糖類的  效果,研究了不同溫度和接種比例條件下水解殘渣  中案糖含量的變化。沼氣池厭氧分解前后水解殘渣中的主  要聚糖(葡聚糖和木聚糖)的含量如圖1~圖4所  示。水解殘渣中葡聚糖和木聚糖含量分別為  1436%和42%由圖可知,接種物的要糖含  在沼氣池厭氧清化過程中幾平液有變化,而不同分解條  下水解殘渣中的葡聚糖和木聚糖含量均有所降  在相同的溫度下,沼氣池厭氧消化殘渣中葡聚糖和木聚醇  的含量都隨著接種比例的增大而降低。在內源  (35℃)條件下,當接種比例從0.25:1升高2  時,沼氣池厭氧消化殘渣中葡聚糖含量從8.30解羅  37%,木聚糖含量從2.29%降低到18%,在歲  接種比例低于或等于051時木聚糖含量不存  化。高溫發酵(55℃)條件下,沼氣池厭氧消化殘渣中

含量的變化趨勢與中溫條件相同。隨著接種比例的  升高,沼氣池厭氧消化殘渣中葡聚糖含量從6.88%降低至  4.0%,木聚糖含量從1.70%降低至1.06%。由此  可見,接種比例越高,沼氣池厭氧消化殘渣中難降解性聚糖  的含量越低,說明沼氣池厭氧降解的程度越高。但從經濟  性的角度考慮,接種比例不能無限提高。對比中溫  和高溫條件,在相同的接種比例時,高溫下沼氣池厭氧消化殘渣中葡聚糖和木聚糖的含量均低于中溫(2:1除外)。當采用2:1的比例時,沼氣池厭氧消化殘渣中兩個溫度下葡聚糖和木聚糖含量相當,分別為4%和1%左右。這可能是因為此時水解殘渣中降解性聚糖的沼氣池厭氧分解已經達到瓶頸,難以被進一步降解。總的來說,采用高溫條件(55℃)和較高的接種比例(2:1),難降解性聚糖的沼氣池厭氧降解更為徹底。結果表明,在優化的工藝條件下,采用沼氣池厭氧分解的方法可以將玉米秸稈酶水解殘渣中的殘糖降低至較低水平

2.2不同沼氣池厭氧分解條件對水解殘渣中聚糖降解率的影響

不同溫度和接種比例條件下,水解殘渣中葡聚糖和木聚糖的沼氣池厭氧降解率如圖5所示。由于沼氣池厭氧消化后,水解殘渣和接種物混合在一起,較難采用物理方法分離,故

降解率=[水解殘渣中聚糖質量一消化殘渣中

聚糖質量+消化后接種物中的聚糖質

量]/水解殘渣中聚糖含量×100%

不同沼氣池厭氧分解條件下聚糖的降解率如圖所示。在同一溫度下,消化殘渣中葡聚糖和木聚糖的降解率隨著接種比例的增大而升高,且木聚糖的轉化率高于葡聚糖。當接種比例等于或者小于0.5:1時,木聚糖的轉化率基本不再變化。這與沼氣池厭氧消化殘渣中木聚糖的含量變化趨勢一致。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Rs為2:1時,葡聚糖和木聚糖的降解率最高,分別為54%和76%。說明  在優化的沼氣池厭氧分解條件下,水解殘渣中約有一半以  上的葡聚糖和3/4的木聚糖被降解,為后續水解殘渣的純化奠定了基礎。本實驗結果與Yum等用玉米秸稈在沼液的不同循環方式下做沼氣池厭氧消化時纖維素  和半纖維素降解率變化相似,纖維素和半纖維素的降  解率不僅在數值上與本實驗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果還與  本實驗中木聚糖的降解率高于葡聚糖相同。

2.3不同沼氣池厭氧分解條件下水解殘渣的產氣情況

水解殘渣中的聚糖經過沼氣池厭氧分解后,被進一步

化為沼氣。不同溫度和接種比例條件下,水解殘  渣的產甲烷情況如圖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,各實驗組都能正常產氣。總體上,在同一溫度下累積甲烷產量隨著接種比例的增大而逐漸升高,這與郗登寶等研究不同接種量對玉米秸稈沼氣池厭氧消化產氣的影響以及 Yan Li s等研究接種比例對藻渣沼氣池厭氧消化性能的影響時的變化規律一致。相同接種比例的條件下,水解殘渣高溫時的產氣速率明顯高于中溫消化。高溫消化大約在10天左右產氣就進入平緩期,此時各接種比例下水解殘渣的累積甲烷產量基本達到最終甲烷產量的75%左右,而中溫消化時達到相同的產量則需要34d以上。高溫條件下,沼氣發酵在接種后的第2天就迅速開始啟動,各發酵樣品即有大量甲烷產生,在后續的3~5d日產氣量達到峰值說明大部分難降解性聚糖在這個時期被水解細菌迅速分解,并轉化為沼氣。相比之下,中溫條件下的產氣速率更慢,可能與水解菌的活性有關。從沼氣池厭氧分解難降解性聚糖的角度來看,高溫條件更為適合2.4水解殘渣沼氣池厭氧分解過程的甲炕產量和碳利用

不同溫度和接種比例條件下,水解殘渣的最終甲烷產量以及碳利用率如表1所示。

碳利用率=累積甲烷中的碳質量/消化前接種物中的碳質量+水解殘渣中的碳質量]×100%。

從表1中可以看出,在相同的溫度下,最終甲烷產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,沼氣池厭氧分解后剩余的聚糖含

量越高,水解殘渣中有機碳轉化為甲烷的效率越低  最終甲烷產量也就越低。在相同接種比例條件下  水解殘渣高溫消化的最終甲烷產量和碳利用率均高  于中溫消化,這與圖1中高溫消化條件下水解殘渣  沼氣池厭氧分解后聚糖含量低于中溫消化,以及圖2中高  溫消化條件下水解殘渣沼氣池厭氧分解過程中聚糖的降解率高于中溫消化的結果相符合。本實驗的結果大多數低于馮雪梅等研究藻渣添加對玉米秸稈沼氣池厭氧消化特征的影響時的最終甲烷產量18.7-2181mL·gVs,除了是因為添加藻渣能顯著提高沼氣池厭氧消化體系的產氣效率之外,也可能是因為接種物種類、接種比例和發酵底物的不同。在中溫消化和相同接種比例的對照組中,水解殘渣的最終甲烷產量大部分低于Yani5等用藻渣做沼氣池厭氧消化時的最終甲烷產量26.6~210.6mL·gVs,這可能是因為接種物餐廚垃圾沼氣池厭氧消化液的高氨氮濃度抑制了水解殘渣沼氣池厭氧消化的產甲烷過程。此外,在中溫酒化條件下,接種比例R13(基于Vs)為0.5:1時,水解  殘渣沼氣池厭氧分解后的最終甲烷產量與 Heng Li等用  玉米秸稈做沼氣池厭氧消化時的最終甲烷產量145x28

mL·gVs較為接近,這表明水解殘渣的產甲烷潛力與玉米秸稈等木質纖維素原料接近。

結論

(1)采用沼氣池厭氧分解的方法可以有效地降低木質  纖維素水解殘渣中難降解性糖類的濃度。沼氣池厭氧分解  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,水解殘渣中聚糖降解效果最佳,沼氣池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)水解殘渣中難降解性糖類沼氣池厭氧分解后轉化為沼氣。其最終甲烷產量隨接種比例的增大而升高;高溫條件下的最終甲烷產量、產氣速率和碳利用  率均高于中溫條件。水解殘渣沼氣池厭氧分解的甲烷產量最高可達184.70mL·gVs

(3)本研究成果可以為木質纖維素生物煉制過程水解殘渣的回收利用提供新的途徑,同時也為研究木質纖維素中難降解性糖類的降解問題奠定了基礎。

摘自《中國沼氣》2018第二期 朱桃 祝其麗 李強 湯曉玉 趙昆煬 吳波

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