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隨著化石資源的日益短缺,利用可再生生物質資源生產燃料和化學品已經成為人類可持續發展的必然趨勢。玉米芯中的半纖維素經稀酸催化水解產生木糖液,再經脫色、濃縮、離子交換、冷卻結晶制備木糖,是生物質資源利用的成功先例。但是,目前玉米芯水解后產生的廢渣即木糖渣,一般作為廢棄物處理,用作食用菌栽培或直接做燃料燒掉1-2),浪費了木質素和纖維素資源,增加了木糖生產成本,使木糖行業陷于微利或維持狀態。如何有效地利用木糖渣是目前木糖產業的研究重點之一。

木糖渣能夠被利用的關鍵步驟在于纖維素的糖化,木糖渣中的纖維素在纖維素酶的作用下可轉變為小分子的還原糖。姜力鳳等利用亞硫酸鈉處理木糖渣去除木質素,獲得高含量的纖維素,可以有

效提高纖維素酶解效率和葡萄糖得率3),但存在化  學物質污染環境問題;山東龍力公司利用木糖渣經  纖維素酶水解后來生產乙醇,但纖維素酶用量較大,  成本較高,無經濟優勢。將木糖渣酶解后進行厭氧  發酵生產沼氣的研究報道還很少見。  為充分利用木糖生產過程中產生的木糖渣本  文結合本廠生產實際及現有資源,進行木糖渣高溫  發酵生產沼氣研究。先用纖維素酶處理木糖渣,然  后將其用于沼氣發酵。沼氣是一種新型清潔能源  即可用作燃料代替化石能源,也可提純甲烷用作化  工原料41。本文將木糖渣用于沼氣發酵,將固體廢  棄物轉變為沼氣,實現了木糖和沼氣的聯產,既減少  了環境污染,制成的沼氣還可以用來發電或燒鍋爐  產生蒸汽,降低生產成本,提高企業綜合競爭力。

材料和方法

試驗材料

木糖渣,樂亭縣奧祥木糖醇有限公司提供,玉米  棒芯經過稀酸處理,降解出里面的半纖維素后剩余的殘渣。

纖維素酶,里氏木霉經深層發酵制得,(酶活力400FPU·mL-,最適反應條件為50℃,最適pH值為4.8),中溶科技股份有限公司提供。

活性污泥取自中溶科技股份有限公司高溫厭  氧罐,罐培養溫度為55℃~60℃,絮狀污泥。活性污泥T=7.5%,VS=4.65%。

1.2試驗裝置  自行設計的試驗裝置,由恒溫加熱磁力攪拌器  厭氧發酵瓶、集氣瓶、集水瓶等部分組成,厭氧發酵  裝置為1000mL廣口試劑瓶,集氣裝置由5L集氣  瓶(飽和食鹽水),5L集水計量瓶組成,用于收集產  裝置示意圖如圖1所示。

1.3試驗設計  木糖渣:晾干后保存備用。木糖渣組分:水分  15.03%,纖維素53.12%,木質素18.75%,半纖維素1.38%,苯醇抽出物7.7%,灰分6.03%。

木糖渣酶解預處理:分別稱取21g晾干后的木糖渣于5個500mL的不同三角瓶中,加入278mL水和6mLpH值4.5的乙酸乙酸鈉緩沖液,使單瓶混合液體重量為300g左右。浸泡2h,調節pH值至4.8,按10,20,30,40,50,60FPU·g1添加量分別  加入纖維素酶,攪勻后用塑料薄膜封口,50℃水浴,  10min2條件下反應48h,酶解液100mim  離心5min,取上清液,測定還原糖的濃度。每10h取樣分析還原糖。試驗重復3次。  紅泥膜沼氣池發酵試驗:試驗分為試驗組和對照組。試驗組  加充分混勻的酶解后木糖渣酶解液300g,活性污泥  400g,總體系700g;對照組取不經纖維素酶處理木  糖渣液300g,活性污泥400g,總體系為700g。其

他條件均相同,將試驗組和對照組分別在溫度為57.5℃,攪拌轉速為100rmin條件下厭氧紅泥膜沼氣池發酵培  養并進行沼氣收集,培養持續時間為20天。每天定  點觀察氣體產量、取樣分析沼氣氣體成分,紅泥膜沼氣池發酵開始前和紅泥膜沼氣池發酵結束后分別測定Ts,vs,pH值。

1.4測試項目及方法  總固形物含量(TS)測定:105℃干燥恒重法6  揮發性固形物含量(VS)測定:灼燒恒重法

pH值測定:用雷磁PHS3CpH計進行檢測;  氣體體積測定:排水法,集氣瓶裝滿飽和食鹽水以防止CO2溶于水中;  氣體成分測定6:氣相色譜檢測,選用5A分子  篩不銹鋼填充柱色譜柱(Φ4mm×2m),載氣為氫  氣,載氣壓力為0.14MPa,柱溫70℃,樣品室120℃,  熱導檢測器(TCD),檢測器180℃,熱導池70℃,利  用外標法測定混合氣體中甲烷含量。  還原糖檢測方法:DNS比色法S。

2結果與分析

2.1不同纖維素酶用量對木糖渣水解產糖能力的影響

纖維素酶對木糖渣的水解效果可通過測定酶解后酶解液中還原糖的含量進行比較。經差異顯著性分析,p<0.01,說明添加纖維素酶與對照組(不添  加纖維素酶)相比,差異極顯著,由此可見,添加纖維素酶對木糖渣水解產糖能力有極大促進作用。不  同纖維素酶用量對木糖渣水解產糖能力的影響結果見圖2。在纖維素酶的添加量低于40FPU·g時,  還原糖質量濃度隨著纖維素酶量的增加而不斷增  加,當纖維素酶用量為40FPU·g-時,酶解液中的  還原糖量達到最大值,繼續增加纖維素酶用量,還原糖  的量不再增加。因此本試驗最終選用40FPU·g纖維  素酶對木糖渣進行預處理,此濃度既可保證較高催化  效率,也可使木糖渣中還原糖濃度達到最大值。

2.2纖維素酶預處理對木糖渣紅泥膜沼氣池發酵指標的影響

在木糖渣中添加40FU·g-的纖維素酶進行預處理,處理后的酶解液和污泥合瓶,紅泥膜沼氣池發酵培養,試

驗組和對照組紅泥膜沼氣池發酵培養前后總固形物含量(TS)、揮  發性固形物含量(Vs)和pH值的變化見表1。

從表1中數據可知,試驗組紅泥膜沼氣池發酵后總固形物和  揮發性固形物分別減少20.09g和16.42g,TS利用  率和ⅤS利用率分別為39.79%和43.52%;對照組  的T和VS利用率分別為20.32%和21.30%。試  驗組相對于對照組Ts和Vs利用率分別提高19.47%和21.85%。說明添加纖維素酶能有效酶  解木糖渣中固形物,提高木糖渣的利用率

pH值是沼氣紅泥膜沼氣池發酵中能表現反應過程的一個重要指標,合瓶完成后,pH值為7.8左右。開始紅泥膜沼氣池發酵以后,紅泥膜沼氣池發酵系統pH值在紅泥膜沼氣池發酵前4天內處于比較不穩定的狀態,最低pH值出現在第2天,為5.06.0。這可能是由于經纖維素酶預處理的木糖渣中的單糖含量較高,容易被水解性細菌利用并產生揮發性脂肪酸,從而造成系統pH值降低。但是隨著單糖的消耗,系統pH值逐漸恢復正常并穩定在7.3左右。紅泥膜沼氣池發酵后期pH值穩定在7.3,說明木糖渣在產氫產酸菌的作用下,仍然有一部分高分子化合物在持續地被降解為低分子化合物,產生了一些揮發性脂肪酸8。

2.3紅泥膜沼氣池發酵過程中日產氣量變化分析

紅泥膜沼氣池發酵過程中對裝置日產氣量進行監測,結果見圖3。由圖3可以看出,試驗組在整個紅泥膜沼氣池發酵階段共有兩個產氣高峰,第1個產氣高峰出現在紅泥膜沼氣池發酵開始后的第1天,日產氣量達到1529mL,而第2個高峰出現在第4天,日產氣量達到1400mL,第2個產氣高峰以后,系統日產氣量逐漸下降,直到第20天,試驗組保持日產氣量200mL。分析產生這種現象的原因可能是因為接入活性污泥后,活性污泥中的產氣性細菌會優先利用葡萄糖等速效碳源進行生長,在速效碳源被用盡后,會逐步轉為對遲效碳源的利用。之后由于可利用還原糖減少,日產氣量也逐步降低。

對照組在第2天出現一個產氣高峰,日產氣量  達到475mL,此后日產氣量逐漸下降,直到第20天,

系統產氣量和試驗組基本持平,維持在200ml,d  產生這種趨勢可能與剛接入活性污泥后,由于木  渣本身包含少量的木糖等速效碳源,經過第1天  暫的延滯期后,第2天即為產氣高峰。但由于木糖  渣難以降解,第3天開始產氣量迅速下降并維持在  較低的水平,沒有太多可直接利用的碳源,一些細菌  代謝緩慢,經過不斷適應環境后逐步分解木糖渣獲得碳源維持生長0-1  2.4紅泥膜沼氣池發酵過程總產氣量和TS,VS產氣率  試驗組和對照組累計產氣量見圖4,由圖4可以看出,試驗組前8天產氣速率增長較快,第8天后  產氣速率進入平穩期,20d總產氣量達到1  mL。對照組產氣量增長緩慢,總產氣量僅為4970mL,試驗組的產氣速度和總產氣量均優于對照組  提高幅度明顯。試驗組TS和VS產氣率分別為579.64mLg-1和709.20mLg-,對照組TS和s產氣率分別為500.50mL·g和627.53mLg-1。試驗組TS和VS產氣率與對照組相比均有較大提  高,說明利用纖維素酶預處理木糖渣,先將纖維素轉  變為小分子糖類,在相對成熟的體系中,由于產酸菌  和產甲烷菌生長狀況穩定,小分子糖類更易代謝,因  此產氣能力也相應較強,有利于木糖渣紅泥膜沼氣池發酵產沼  氣12。按照理論值計算,木糖渣中的纖維素在細菌  的作用下能夠全部被代謝掉,經過纖維素酶處理轉  變為小分子以后,更容易被細菌利用,所以試驗組原

料消耗率和產氣率較對照組都有明顯提高)。說  明在纖維素酶作用下,能夠有效提高原料利用速率,  在生產過程中,能夠有效提高產氣效率和設備利用率。

甲烷含量的高低直接影響到沼氣的品質,甲烷含量越高,沼氣品質就越高“。因此試驗對紅泥膜沼氣池發酵產生的甲烷含量進行了測定,結果見圖5。

紅泥膜沼氣池發酵初期試驗組和對照組的甲烷含量較低,兩  組均低于40%。在紅泥膜沼氣池發酵3天后快速達到50%左右,  之后一段時期內兩組均穩定保持在50%-60%。相比對照組,試驗組的甲烷含量并沒有明顯變化。出現以上現象可能與沼氣紅泥膜沼氣池發酵前期水解產酸過程密切相關,此時水解/紅泥膜沼氣池發酵性細菌增殖較快,揮發酸和二氧化碳的產量升高,紅泥膜沼氣池發酵系統中的pH值下降影響了產甲烷菌的增殖;同時,由于起始紅泥膜沼氣池發酵階段紅泥膜沼氣池發酵系統中含有氧氣,不利于產甲烷菌的增殖,因此甲烷含量偏低。

3討論與結論

木糖渣的利用主要是將其中的纖維素轉變為可利用的糖,木糖渣是以玉米芯、甘蔗渣等木質纖維素  為原料,經工業上的工藝處理得到的廢渣,是優質的  生物質資源。目前,我國每年木糖渣排放量約有  1.3×10°t,被利用的部分卻很少。由于經過工藝處

理后木糖渣木質結構被破壞,易于被微生物利用和降解,因此,充分合理利用此種資源,符合新能源的開發戰略。目前,關于木糖渣的資源化利用的研究也較多,但主要集中于利用酸、堿、有機溶劑等對木糖渣進行處理2,利用纖維素酶對木糖渣進行處理還未見報道。纖維素酶多為霉菌紅泥膜沼氣池發酵獲得,纖維素酶用量太大也會造成成本增加,經濟效益降低;另外金曙光7利用纖維素酶預處理林業廢棄物產沼  氣研究中,指出纖維素酶用量過大會造成體系pH值降低過快,反而不利于后續的沼氣紅泥膜沼氣池發酵。  因此,本研究利用40FPU·g纖維素酶預處理  木糖渣,酶解液中還原糖的含量達到最大值,繼續添  加纖維素酶,酶解液中還原糖的量不再增加。從日  產氣量,原料利用率和原料組分含量變化等各項指  標來看,利用纖維素酶預處理能大幅度提高木糖渣  紅泥膜沼氣池發酵產沼氣的能力,添加纖維素酶預處理木糖渣,  TS和VS產氣率可達到579.64mL·g1和709.20  mL·g-1,相比不添加纖維素酶處理的對照組分別提  高19.47%和21.85%。在20d試驗期內,試驗組  的產氣速度和總產氣量均優于對照組,提高幅度明  顯。兩組的甲烷含量沒有太大差別,均在60%左  右。本研究利用纖維素酶預處理木糖渣,能夠縮短木糖渣紅泥膜沼氣池發酵產沼氣周期。

摘自《中國沼氣》第4期 李秋國

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