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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。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。將木糖渣酶解后進(jìn)行厭氧  發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的研究報道還很少見。  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)綜合競爭力。

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渣。

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?；钚晕勰郥=7.5%,VS=4.65%。

1.2試驗(yàn)裝置  自行設(shè)計的試驗(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  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(fā)性固形物含量(VS)測定:灼燒恒重法

pH值測定:用雷磁PHS3CpH計進(jìn)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(dǎo)檢測器(TCD),檢測器180℃,熱導(dǎo)池70℃,利  用外標(biāo)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(jié)果與分析

2.1不同纖維素酶用量對木糖渣水解產(chǎn)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(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(chǎn)糖能力有極大促進(jìn)作用。不  同纖維素酶用量對木糖渣水解產(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,  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,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%;對照組  的T和VS利用率分別為20.32%和21.30%。試  驗(yàn)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(fā)酵中能表現(xiàn)反應(yīng)過程的一個重要指標(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)酵過程中對裝置日產(chǎn)氣量進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果見圖3。由圖3可以看出,試驗(yàn)組在整個紅泥膜沼氣池發(fā)酵階段共有兩個產(chǎn)氣高峰,第1個產(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個高峰出現(xiàn)在第4天,日產(chǎn)氣量達(dá)到1400mL,第2個產(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)菌會優(yōu)先利用葡萄糖等速效碳源進(jìn)行生長,在速效碳源被用盡后,會逐步轉(zhuǎn)為對遲效碳源的利用。之后由于可利用還原糖減少,日產(chǎn)氣量也逐步降低。

對照組在第2天出現(xiàn)一個產(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)組和對照組累計產(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。對照組產(chǎn)氣量增長緩慢,總產(chǎn)氣量僅為4970mL,試驗(yàn)組的產(chǎn)氣速度和總產(chǎn)氣量均優(yōu)于對照組  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?在相對成熟的體系中,由于產(chǎn)酸菌  和產(chǎn)甲烷菌生長狀況穩(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)對紅泥膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷含量進(jìn)行了測定,結(jié)果見圖5。

紅泥膜沼氣池發(fā)酵初期試驗(yàn)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(fā)酵3天后快速達(dá)到50%左右,  之后一段時期內(nèi)兩組均穩(wěn)定保持在50%-60%。相比對照組,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,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)溶劑等對木糖渣進(jìn)行處理2,利用纖維素酶對木糖渣進(jìn)行處理還未見報道。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《中國沼氣》第4期 李秋國

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