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隨著化石資源的日益短缺,利用可再生生物質(zhì)資源生產(chǎn)燃料和化學(xué)品已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。玉米芯中的半纖維素經(jīng)稀酸催化水解產(chǎn)生木糖液,再經(jīng)脫色、濃縮、離子交換、冷卻結(jié)晶制備木糖,是生物質(zhì)資源利用的成功先例。但是,目前玉米芯水解后產(chǎn)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(fèi)了木質(zhì)素和纖維素資源,增加了木糖生產(chǎn)成本,使木糖行業(yè)陷于微利或維持狀態(tài)。如何有效地利用木糖渣是目前木糖產(chǎn)業(yè)的研究重點(diǎn)之一。

木糖渣能夠被利用的關(guān)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(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥倪€原糖。姜力鳳等利用亞硫酸鈉處理木糖渣去除木質(zhì)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(xué)物質(zhì)污染環(huán)境問題;山東龍力公司利用木糖渣經(jīng)  纖維素酶水解后來生產(chǎn)乙醇,但纖維素酶用量較大,  成本較高,無經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。將木糖渣酶解后進(jìn)行厭氧  發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的研究報(bào)道還很少見。  為充分利用木糖生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的木糖渣本  文結(jié)合本廠生產(chǎn)實(shí)際及現(xiàn)有資源,進(jìn)行木糖渣高溫  發(fā)酵生產(chǎn)沼氣研究。先用纖維素酶處理木糖渣,然  后將其用于沼氣發(fā)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(fā)酵,將固體廢  棄物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託?實(shí)現(xiàn)了木糖和沼氣的聯(lián)產(chǎn),既減少  了環(huán)境污染,制成的沼氣還可以用來發(fā)電或燒鍋爐  產(chǎn)生蒸汽,降低生產(chǎn)成本,提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

材料和方法

試驗(yàn)材料

木糖渣,樂亭縣奧祥木糖醇有限公司提供,玉米  棒芯經(jīng)過稀酸處理,降解出里面的半纖維素后剩余的殘?jiān)?/p>

纖維素酶,里氏木霉經(jīng)深層發(fā)酵制得,(酶活力400FPU·mL-,最適反應(yīng)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(yǎng)溫度為55℃~60℃,絮狀污泥。活性污泥T=7.5%,VS=4.65%。

1.2試驗(yàn)裝置  自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置,由恒溫加熱磁力攪拌器  厭氧發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶等部分組成,厭氧發(fā)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(jì)量瓶組成,用于收集產(chǎn)  裝置示意圖如圖1所示。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)  木糖渣:晾干后保存?zhèn)溆?。木糖渣組分:水分  15.03%,纖維素53.12%,木質(zhì)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(yù)處理:分別稱取21g晾干后的木糖渣于5個(gè)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(diào)節(jié)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(yīng)48h,酶解液100mim  離心5min,取上清液,測(cè)定還原糖的濃度。每10h取樣分析還原糖。試驗(yàn)重復(fù)3次。  紅泥膜沼氣池發(fā)酵試驗(yàn):試驗(yàn)分為試驗(yàn)組和對(duì)照組。試驗(yàn)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(duì)照組取不經(jīng)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(yàn)組和對(duì)照組分別在溫度為57.5℃,攪拌轉(zhuǎn)速為100rmin條件下厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵培  養(yǎng)并進(jìn)行沼氣收集,培養(yǎng)持續(xù)時(shí)間為20天。每天定  點(diǎn)觀察氣體產(chǎn)量、取樣分析沼氣氣體成分,紅泥膜沼氣池發(fā)酵開始前和紅泥膜沼氣池發(fā)酵結(jié)束后分別測(cè)定Ts,vs,pH值。

1.4測(cè)試項(xiàng)目及方法  總固形物含量(TS)測(cè)定:105℃干燥恒重法6  揮發(fā)性固形物含量(VS)測(cè)定:灼燒恒重法

pH值測(cè)定:用雷磁PHS3CpH計(jì)進(jìn)行檢測(cè);  氣體體積測(cè)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(cè)定6:氣相色譜檢測(cè),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(dǎo)檢測(cè)器(TCD),檢測(cè)器180℃,熱導(dǎo)池70℃,利  用外標(biāo)法測(cè)定混合氣體中甲烷含量。  還原糖檢測(cè)方法:DNS比色法S。

2結(jié)果與分析

2.1不同纖維素酶用量對(duì)木糖渣水解產(chǎn)糖能力的影響

纖維素酶對(duì)木糖渣的水解效果可通過測(cè)定酶解后酶解液中還原糖的含量進(jìn)行比較。經(jīng)差異顯著性分析,p<0.01,說明添加纖維素酶與對(duì)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(duì)木糖渣水解產(chǎn)糖能力有極大促進(jìn)作用。不  同纖維素酶用量對(duì)木糖渣水解產(chǎn)糖能力的影響結(jié)果見圖2。在纖維素酶的添加量低于40FPU·g時(shí),  還原糖質(zhì)量濃度隨著纖維素酶量的增加而不斷增  加,當(dāng)纖維素酶用量為40FPU·g-時(shí),酶解液中的  還原糖量達(dá)到最大值,繼續(xù)增加纖維素酶用量,還原糖  的量不再增加。因此本試驗(yàn)最終選用40FPU·g纖維  素酶對(duì)木糖渣進(jìn)行預(yù)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(dá)到最大值。

2.2纖維素酶預(yù)處理對(duì)木糖渣紅泥膜沼氣池發(fā)酵指標(biāo)的影響

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

驗(yàn)組和對(duì)照組紅泥膜沼氣池發(fā)酵培養(yǎng)前后總固形物含量(TS)、揮  發(fā)性固形物含量(Vs)和pH值的變化見表1。

從表1中數(shù)據(jù)可知,試驗(yàn)組紅泥膜沼氣池發(fā)酵后總固形物和  揮發(fā)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(duì)照組  的T和VS利用率分別為20.32%和21.30%。試  驗(yàn)組相對(duì)于對(duì)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(fā)酵中能表現(xiàn)反應(yīng)過程的一個(gè)重要指標(biāo),合瓶完成后,pH值為7.8左右。開始紅泥膜沼氣池發(fā)酵以后,紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)pH值在紅泥膜沼氣池發(fā)酵前4天內(nèi)處于比較不穩(wěn)定的狀態(tài),最低pH值出現(xiàn)在第2天,為5.06.0。這可能是由于經(jīng)纖維素酶預(yù)處理的木糖渣中的單糖含量較高,容易被水解性細(xì)菌利用并產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸,從而造成系統(tǒng)pH值降低。但是隨著單糖的消耗,系統(tǒng)pH值逐漸恢復(fù)正常并穩(wěn)定在7.3左右。紅泥膜沼氣池發(fā)酵后期pH值穩(wěn)定在7.3,說明木糖渣在產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌的作用下,仍然有一部分高分子化合物在持續(xù)地被降解為低分子化合物,產(chǎn)生了一些揮發(fā)性脂肪酸8。

2.3紅泥膜沼氣池發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量變化分析

紅泥膜沼氣池發(fā)酵過程中對(duì)裝置日產(chǎn)氣量進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果見圖3。由圖3可以看出,試驗(yàn)組在整個(gè)紅泥膜沼氣池發(fā)酵階段共有兩個(gè)產(chǎn)氣高峰,第1個(gè)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在紅泥膜沼氣池發(fā)酵開始后的第1天,日產(chǎn)氣量達(dá)到1529mL,而第2個(gè)高峰出現(xiàn)在第4天,日產(chǎn)氣量達(dá)到1400mL,第2個(gè)產(chǎn)氣高峰以后,系統(tǒng)日產(chǎn)氣量逐漸下降,直到第20天,試驗(yàn)組保持日產(chǎn)氣量200mL。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)榻尤牖钚晕勰嗪?活性污泥中的產(chǎn)氣性細(xì)菌會(huì)優(yōu)先利用葡萄糖等速效碳源進(jìn)行生長(zhǎng),在速效碳源被用盡后,會(huì)逐步轉(zhuǎn)為對(duì)遲效碳源的利用。之后由于可利用還原糖減少,日產(chǎn)氣量也逐步降低。

對(duì)照組在第2天出現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣量  達(dá)到475mL,此后日產(chǎn)氣量逐漸下降,直到第20天,

系統(tǒng)產(chǎn)氣量和試驗(yàn)組基本持平,維持在200ml,d  產(chǎn)生這種趨勢(shì)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(jīng)過第1天  暫的延滯期后,第2天即為產(chǎn)氣高峰。但由于木糖  渣難以降解,第3天開始產(chǎn)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(xì)菌  代謝緩慢,經(jīng)過不斷適應(yīng)環(huán)境后逐步分解木糖渣獲得碳源維持生長(zhǎng)0-1  2.4紅泥膜沼氣池發(fā)酵過程總產(chǎn)氣量和TS,VS產(chǎn)氣率  試驗(yàn)組和對(duì)照組累計(jì)產(chǎn)氣量見圖4,由圖4可以看出,試驗(yàn)組前8天產(chǎn)氣速率增長(zhǎng)較快,第8天后  產(chǎn)氣速率進(jìn)入平穩(wěn)期,20d總產(chǎn)氣量達(dá)到1  mL。對(duì)照組產(chǎn)氣量增長(zhǎng)緩慢,總產(chǎn)氣量?jī)H為4970mL,試驗(yàn)組的產(chǎn)氣速度和總產(chǎn)氣量均優(yōu)于對(duì)照組  提高幅度明顯。試驗(yàn)組TS和VS產(chǎn)氣率分別為579.64mLg-1和709.20mLg-,對(duì)照組TS和s產(chǎn)氣率分別為500.50mL·g和627.53mLg-1。試驗(yàn)組TS和VS產(chǎn)氣率與對(duì)照組相比均有較大提  高,說明利用纖維素酶預(yù)處理木糖渣,先將纖維素轉(zhuǎn)  變?yōu)樾》肿犹穷?在相對(duì)成熟的體系中,由于產(chǎn)酸菌  和產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)狀況穩(wěn)定,小分子糖類更易代謝,因  此產(chǎn)氣能力也相應(yīng)較強(qiáng),有利于木糖渣紅泥膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)沼  氣12。按照理論值計(jì)算,木糖渣中的纖維素在細(xì)菌  的作用下能夠全部被代謝掉,經(jīng)過纖維素酶處理轉(zhuǎn)  變?yōu)樾》肿右院?更容易被細(xì)菌利用,所以試驗(yàn)組原

料消耗率和產(chǎn)氣率較對(duì)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(chǎn)過程中,能夠有效提高產(chǎn)氣效率和設(shè)備利用率。

甲烷含量的高低直接影響到沼氣的品質(zhì),甲烷含量越高,沼氣品質(zhì)就越高“。因此試驗(yàn)對(duì)紅泥膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷含量進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果見圖5。

紅泥膜沼氣池發(fā)酵初期試驗(yàn)組和對(duì)照組的甲烷含量較低,兩  組均低于40%。在紅泥膜沼氣池發(fā)酵3天后快速達(dá)到50%左右,  之后一段時(shí)期內(nèi)兩組均穩(wěn)定保持在50%-60%。相比對(duì)照組,試驗(yàn)組的甲烷含量并沒有明顯變化。出現(xiàn)以上現(xiàn)象可能與沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵前期水解產(chǎn)酸過程密切相關(guān),此時(shí)水解/紅泥膜沼氣池發(fā)酵性細(xì)菌增殖較快,揮發(fā)酸和二氧化碳的產(chǎn)量升高,紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)中的pH值下降影響了產(chǎn)甲烷菌的增殖;同時(shí),由于起始紅泥膜沼氣池發(fā)酵階段紅泥膜沼氣池發(fā)酵系統(tǒng)中含有氧氣,不利于產(chǎn)甲烷菌的增殖,因此甲烷含量偏低。

3討論與結(jié)論

木糖渣的利用主要是將其中的纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫奶?木糖渣是以玉米芯、甘蔗渣等木質(zhì)纖維素  為原料,經(jīng)工業(yè)上的工藝處理得到的廢渣,是優(yōu)質(zhì)的  生物質(zhì)資源。目前,我國(guó)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(jīng)過工藝處

理后木糖渣木質(zhì)結(jié)構(gòu)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(fā)戰(zhàn)略。目前,關(guān)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(jī)溶劑等對(duì)木糖渣進(jìn)行處理2,利用纖維素酶對(duì)木糖渣進(jìn)行處理還未見報(bào)道。纖維素酶多為霉菌紅泥膜沼氣池發(fā)酵獲得,纖維素酶用量太大也會(huì)造成成本增加,經(jīng)濟(jì)效益降低;另外金曙光7利用纖維素酶預(yù)處理林業(yè)廢棄物產(chǎn)沼  氣研究中,指出纖維素酶用量過大會(huì)造成體系pH值降低過快,反而不利于后續(xù)的沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵。  因此,本研究利用40FPU·g纖維素酶預(yù)處理  木糖渣,酶解液中還原糖的含量達(dá)到最大值,繼續(xù)添  加纖維素酶,酶解液中還原糖的量不再增加。從日  產(chǎn)氣量,原料利用率和原料組分含量變化等各項(xiàng)指  標(biāo)來看,利用纖維素酶預(yù)處理能大幅度提高木糖渣  紅泥膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)沼氣的能力,添加纖維素酶預(yù)處理木糖渣,  TS和VS產(chǎn)氣率可達(dá)到579.64mL·g1和709.20  mL·g-1,相比不添加纖維素酶處理的對(duì)照組分別提  高19.47%和21.85%。在20d試驗(yàn)期內(nèi),試驗(yàn)組  的產(chǎn)氣速度和總產(chǎn)氣量均優(yōu)于對(duì)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(yù)處理木糖渣,能夠縮短木糖渣紅泥膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)沼氣周期。

摘自《中國(guó)沼氣》第4期 李秋國(guó)

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