底物水解预处理对玉米秸秆发酵生物产氢的影响

朱登勇,吴朝军,马红翠,樊耀亭＊

(1.郑州大学化学系,河南郑州 450052; 2.河北理工大学轻工学院,河北唐山 063000）

底物水解预处理对玉米秸秆发酵生物产氢的影响

朱登勇1,吴朝军1,马红翠2,樊耀亭1＊

(1.郑州大学化学系,河南郑州 450052; 2.河北理工大学轻工学院,河北唐山 063000）

水解预处理是影响纤维素类生物质发酵产氢效率的关键因素之一.在批式试验条件下,分别采用乳酸处理(方法 A),生物处理(方法B)和生物/乳酸两步处理(方法 C)方法对玉米秸秆进行糖化水解预处理;考察了水解预处理对产氢效率的影响.结果表明:经乳酸预处理、生物预处理和乳酸/生物两步处理的玉米秸秆的累积氢产量分别为132 mL/g,169 mL/g和191 mL/g;就玉米秸秆的产氢能力而言,预处理方法B和C明显优于A.其原因在于,经方法B和C预处理后玉米秸秆的半纤维素被水解成可溶性还原糖和乳酸,从而导致产氢能力提高;与此同时,经预处理的底物中的半纤维素降解也能有效地提高底物的产氢能力.

玉米秸秆;水解预处理;发酵生物制氢

Abstract:The hydrolysis pretreatment of the substrate plays a crucial role in conversion of corn stalk wastes into bio-hydrogen by fermentation.Thus batch tests were conducted to investigate the effect of hydrolysis pretreatment of corn stalk wastes on hydrogen yield,where the corn stalk wastes were saccharified and hydrolyzed with method A(lactic acid),method B(biological route),and method C(biology/lactic acid two-step route),respectively.It was found that the corn stalk wastes pretreated with methods A,B,and C had a cumulative hydrogen yield of 132 mL/g,169 mL/g,and 191 mL/g at a substrate concentration of 15 g/L and initial p H of 7.0.The corn stalk wastes pretreated with methods B and C had higher hydrogen yields than that pretreated with method A.The reason might lie in that the hemicellulose in the corn stalk wastes were more efficiently hydrolyzed by methods B and C to generate soluble saccharides and lactic acid,resulting in increased hydrogen yields.Besides,the direct degradation of the hemicellulose in the corn stalk wastes also contributed to greatly increase hydrogen yield.

Keywords:corn stalk wastes;hydrolysis pretreatment;fermentation hydrogen production

在可再生能源中,以氢气为代表的生物能源备受世人关注.氢能是公认的清洁能源,其热值高(约为化石燃料的3倍),燃烧产物是水,没有环境污染物的生成.作为清洁燃料,氢气被大量地应用在航空航天、电动汽车、石油化工、化学制药、电子、冶金和食品等领域[1-4];通过微生物的代谢过程生产氢气的厌氧发酵生物技术现已成为生物质清洁能源研究中极具吸引力的热点研究课题[1,5].目前生物制氢研究大多局限于可溶性碳水化合物及废水的研究,对于含纤维素类生物质产氢的研究还少见报道[6-7].我国农作物秸秆数量巨大,目前除少量被用作建筑材料和牲畜饲料外,大多被焚烧或者随意堆放丢弃,不仅污染环境,也造成生物质资源的极大浪费.天然纤维素类生物质主要是由被木质素包裹的纤维素和半纤维素组成,其结构紧密,在短时间内很难被微生物降解利用[7].秸秆类生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,结构非常复杂,具有较大的结晶性,要直接对纤维素进行糖化水解或生物转化是相当困难的.在生产生物氢的过程中,稀酸水解和酶法水解是最常用的纤维素类生物质的水解方法.为了改善玉米秸秆发酵生物产氢的能力,作者探讨了不同底物预处理方法对玉米秸秆发酵产氢能力的影响,取得了有意义的结果.

1 实验部分

1.1 实验原料

产氢菌源:小熊猫粪,取自郑州动物园.为了抑制产甲烷菌和其他病源微生物,小熊猫粪在使用前经煮沸和曝气处理.玉米秸秆取自郑州郊区,主要成分为:总固体(TS),90.58%;挥发性固体(TVS),81.70%;灰分,8.88%.使用前将秸秆样品粉碎至20～40目,秸秆经水解预处理后,按照常规方法用于发酵产氢[1-2],实验所用秸秆浓度均为15 g/L.

1. 仪器及分析方法

HP-4890气相色谱仪(美国安捷伦仪器公司);紫外分光光度仪;FZ102小型植物粉碎机(北京永光明医疗仪器厂);生物气用湿式气体流量计计量;生物气中氢气浓度和液相产物中挥发性脂肪酸及醇含量测定方法见文献[1,3];可溶性糖用蒽酮分光光度法测定[1];纤维素、木质素和半纤维素含量参照Van Soest方法测定[8].

2 结果与讨论

在发酵产氢前,分别采用乳酸(Method A)、生物(Method B)和生物+乳酸两步耦合(Method C)方法对玉米秸秆进行预处理.然后以预处理的秸秆为底物,小熊猫粪为产氢菌源,在初始p H值5.5,36℃和底物的质量浓度15 g/L的条件下进行产氢发酵试验,结果如图1所示.其中,额外添加的乳酸所生成的氢气已被扣除.从图1可以看出,与对照样相比(20 mL/g),预处理秸秆的累积氢产量均有较大幅度的提高.经乳酸预处理、生物预处理和生物+乳酸两步耦合处理秸秆的氢产量分别达到132 mL/g,169 mL/g和171 mL/g.在考察的三种底物预处理方法中,考虑到乳酸预处理对秸秆氢产量的影响相对较小,因此在下面的讨论中,仅对生物预处理和生物+乳酸两步耦合预处理对秸秆产氢的影响进行了研究.

图2为当秸秆的质量浓度为15 g/L和p H=7.0的条件下,考察了生物添加剂(方法B)用量从2.5 g/kg到12.5 g/kg时秸秆累计氢产量的变化.由图2可以看出,当生物添加剂用量从2.5 g/kg增加到7.5 g/kg时,秸秆氢产量从123.5 mL/g增加到最大值175 mL/g,其后随着生物添加剂用量的进一步增加,氢产量逐渐下降,当生物添加剂用量增加至12.5 g/kg时,秸秆的氢产量降至最低值81 mL/g.在生物添加剂用量不同的情况下,秸秆的累积氢产量随着培养时间的增加而增加,当培养时间大约为30～40 h时,相应的累积氢产量达到最大值.

图1 底物预处理方法对累积产氢量的影响Fig.1 Effect of pretreatment method on H2yield

图2 微生物添加剂用量对底物累积产氢量的影响Fig.2 Effect of microbe additive loading on H2yield

图3表示在底物的质量浓度为15 g/L,反应器初始p H=7.0和固定生物添加剂用量为7.5 g/kg的条件下,乳酸质量分数变化(方法C)对秸秆累积氢产量的影响.由图3可以看出,当乳酸的质量分数从0.04%到0.2%的范围内变化时,秸秆氢产量随着乳酸的质量分数的增加从150 mL/g增加到最大值191 mL/g,其后随着乳酸的质量分数的进一步增加,秸秆氢产量呈下降趋势,当乳酸的质量分数进一步增加至1.0%时,相应的秸秆氢产量降至最低值125.5 mL/g.在不同的乳酸的质量分数条件下,秸秆氢产量随着培养时间的增加均呈逐渐增加趋势,当培养时间为100～120 h时,相应的氢产量也分别达到最大值.

与作者先前的研究类似,介质p H值变化也严重影响秸秆的发酵产氢能力.图4表示当生物预处理的秸秆质量浓度为15 g/L,介质p H值变化从4.5～7.0时,秸秆氢产量的变化规律.由图4可以看出,在介质p H值4.5到5.5的范围内,秸秆氢产量随着p H值的增加而增加,尔后,随着介质p H值的进一步增加,秸秆氢产量逐渐下降,秸秆的最大氢产量176 mL/g出现在介质p H=5.5.实验结果表明,在其他条件恒定的情况下,介质p H值的适当调控也是影响秸秆类生物质发酵产氢的重要因素之一,因为在整个发酵产氢过程中,过高或过低的p H值将抑制氢酶的活性[2,5].

图3 乳酸质量分数对累积产氢量的影响Fig.3 Effect of lactic acid mass fraction on H2yield

图4 p H变化对累积产氢量的影响Fig.4 Effect of p H on H2yield

从上述实验结果可以看出玉米秸秆分别经过乳酸预处理和生物/乳酸预处理后均可显著提高产氢能力.与未经预处理的玉米秸秆相比,生物预处理和生物/乳酸处理后的秸秆的累积产氢量分别提高了7.75倍和8.85倍.但这两种方法相比,生物/乳酸处理的玉米秸秆的产氢能力仅比生物处理的玉米秸秆的产氢能力提高了12.57%,而且操作复杂,成本高,反应条件剧烈,缺乏工业应用的前景.因此本课题组重点进行了利用生物预处理方法提高玉米秸秆产氢能力的研究.

为探讨生物预处理提高产氢能力的机理,作者进一步分析了玉米秸秆原样,生物预处理的玉米秸秆和产氢后的玉米秸秆中的还原糖、乳酸、纤维素、半纤维素和木质素的含量.结果证明经过生物预处理的玉米秸秆,26.04%的秸秆被添加剂中的微生物降解利用,其还原糖含量由7.3%提高到21.2%,乳酸由0%提高到2.1%,半纤维素的含量由24.4%降到19.36%,纤维素和木质素含量变化不大.经产氢后的秸秆残渣中未检测到可溶性还原糖和乳酸,而且秸秆中的半纤维素含量由19.36%大幅度降低至4.93%,秸秆的利用率为18.61%,这说明经生物预处理秸秆中的半纤维素被水解成可溶性还原糖和乳酸,这些还原糖和乳酸对厌氧发酵产氢有较大贡献.另外,产氢后的秸秆残渣中半纤维素含量的大幅度降低,说明小熊猫粪中的天然产氢微生物能很好地利用秸秆中的半纤维素,半纤维素对厌氧发酵产氢能力的提高有较大贡献.

[1]PAN Chun Mei,ZHANG Mao Lin,FAN Yao Ting,et al.Production of cellulosic ethanol and hydrogen from solid-state enzymatic treated cornstalk:a two-stage process[J].J Agri Food Chem,2009,57(7):2732-2738.

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[6]樊耀亭,廖新成,卢会杰,等.有机废弃物氢发酵制备生物氢气的研究[J].环境科学,2003,24(3):132-135.

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Effect of hydrolysis pretreatment of corn stalk wastes on fermentation hydrogen production

ZHU Deng-yong1,WU Chao-jun1,MA Hong-cui2,FAN Yao-ting1＊

(1.Department of Chemistry,Zhengzhou University,Zhengzhou450052,Henan,China;
2.College of Light Industry,Hebei Polytechnic University,Tangshan063000,Hebei,China)

X 382

A

1008-1011(2011)01-0014-03

2010-08-16.

国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2009CB220005).

朱登勇(1978-),助工,从事应用化学研究.＊

,E-mail:yt.fan@zzu.edu.cn.