微波环境下的玉米秸秆碱处理技术对光合制氢的影响

杨晋晖，张全国，岳建芝，王 毅，韩滨旭，赵源亮

(河南农业大学 农业部可再生能源重点开放实验室，河南 郑州 450002)

世界经济的发展主要依靠不可再生化石燃料的开发和利用，由此造成了严重的能源危机和环境危机。寻找可再生的环境友好型替代能源是一项紧迫的任务。许多国家正在加紧致力于开发太阳能、氢能、风能、生物质能、海洋能、地热能等替代能源。氢能具有能量密度高 (122 kJ·g-1)、热转化效率高、输送成本低、燃烧产物不含温室性气体的清洁能源的特点，受到许多国家广泛关注，被誉为“未来的能源”［1］。

木质纤维素是地球上最丰富、最廉价，且符合可持续发展要求的可再生资源［2-3］。每年仅陆生植物就产生纤维素约50 亿t;纤维素资源还是最主要的生物质资源，它占地球生物总量的60%～80%。我国是一个农业大国，每年仅农作物秸秆就超过0.7 亿t，玉米秸秆、小麦秸秆和稻草是我国农业生产中的最主要农作物秸秆，并且林业副产品、城市垃圾和工业废物数量也很可观［4］。所以，利用秸秆类木质纤维素作为原材料生产氢气是一个应用前景广阔且环境友好型的新技术途径，可使获取廉价氢气和实现产业化成为可能［5］。

常用的木质纤维素预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法、生物化学法等［6-7］。在预处理过程中，由于单一预处理方法的效率较低，结构单一。因此，应采取多种预处理方法进行联合应用［8-10］。作者主要研究微波环境下的玉米秸秆粉的碱处理技术及其光合生物制氢技术，探讨秸秆类木质纤维素预处理及其糖化过程特性，揭示玉米秸秆粉在微波辐射下反应温度、反应时间、微波功率等因素对秸秆类纤维素碱催化水解及其光合制氢性能的影响规律，旨在为秸秆类木质纤维素的生物质制氢技术研究与开发提供具有重要的的科学参考。

1 材料和方法

1.1 材料

原料:玉米秸秆。用粉碎机粉碎，筛选出40(0.42 mm)，80 (0.177 mm)，120 (0.125 mm)，160目 (0.094 mm)，备用。

试剂:DNS 试剂、1% NaOH 溶液、蒸馏水、光合细菌菌液和产氢液态培养基。

主要仪器设备:粉碎机、电子天平、微波炉、台式封闭电炉1 500 W、离心机紫外可见光光度计、人工气候箱、气相色谱仪、离心管 (若干)、精密吸管、希尔球、比色皿、100 mL 锥形瓶、25 mL试管、500 mL 烧杯、10 mL 移液管、500 mL量筒、1 000 mL 锥形瓶、光和200 mL 反应产气瓶、瓶塞、60 mL 注射器。

精密pH 试纸产氢培养基的配置:KH2PO41.5 g，K2HPO40.6 g，CH3COONa 3 g，CaCl20.05 g，MgSO40.2 g，NaCl 0.2 g，NH4Cl 0.4 g，酵母膏0.1 g，蒸馏水1 000 mL (pH 值7)

1.2 操作方法

微波辅助碱水解预处理:用电子天平称取绝干玉米秸秆粉末 (40，80，120，160 目)各1 g，放入各自对应的100 mL 锥形瓶内。用1%NaOH 溶液处理，条件为固液比为1∶15 (m/V)，然后放入微波炉进行不同火档不同时间加热，微波作用时间与间歇时间比为1∶2。冷却后用离心管量取这些预处理后的原料上清液，放入离心机进行离心，5 000 r·min-110 min。用精密吸管从离心管吸取0.5 mL 溶液放入试管用蒸馏水进行稀释，取稀释后的溶液0.5 mL 并加入0.5 mL DNS 试剂，用台式封闭电炉加热5 min。待冷却后用蒸馏水加至5mL 放入比色皿，用紫外可见光光度计测定其各自的D 值。根据他们各自的D 值求出还原糖含量，优化出最佳条件。

光合生物制氢:把预处理后的最佳条件的原料混合液放入200 mL 反应瓶内，取40 mL 光合细菌菌液与之混合。加入葡萄糖6 g (原料混合液的还原糖含量)，并加液态产氢培养基至200 mL，用瓶塞塞紧并将之固定，密封上下出口，用注射器针头经过瓶塞插入瓶内使反应瓶与注射器相连以便储存经过反应产生的气体。空白对照反应瓶除加入6 g葡萄糖外，其余与上相同。将它们放入人工气候箱进行产氢试验，产氢条件为光照，恒温30℃。观察反应瓶内混合液的颜色变化，记录产气量，在产气高峰期时收集一定量的气体，用气体成分分析仪分析其气体成分。

2 结果与分析

2.1 还原糖含量

把准备好的40，80，120 和160 目的玉米粉末用电子天平称取1 g，与15 g 的1%NaOH 溶液混合放入微波炉，分别以低、中、高不同火档加热3，6，9，12 min 进行预处理。取其上清液装入离心管，经过离心机离心后进行一定倍数的稀释，分别取出0.5 mL，再加入0.5 mL DNS 试剂，经台式封闭式电加热器加热5 min 后冷却。冷却后分别加4 mL蒸馏水装入比色皿中，用紫外可见光光度计分别测量它们的D 值 (图1)。

图1 不同目大小的玉米粉在不同微波火档下加热不同时间所对应的还原糖含量

经过分析比较，160 目的玉米秸秆粉末用微波炉在低火条件下加热6 min 所得到的还原糖含量最多。因此，在微波炉低火条件下加热160 目的玉米秸秆粉末6 min 所得原料混合液是进行光合制氢的最佳底物。

2.2 日产气体量

样品1 是以在1%NaOH 溶液、固液比为1∶15、微波低火加热6 min 的条件下预处理的160 目的玉米秸秆粉末为底物，另追加葡萄糖至6 g 为产气原料，对照组样品2 以6 g 纯葡萄糖为产气原料。在恒温30℃的光照条件下光合细菌消耗葡萄糖的产气情况图2 所示。

图2 在恒温30℃的光照条件下光合细菌消耗葡萄糖的产气情况

2.3 气体成分

用气相色谱仪分析样品1 和2 所产气体的成分(表1)绝大部分都为氢气。

表1 样品所产气体在气相色谱图中的面积比

3 小结

对于微波辅助的碱水解木质纤维素糖化制氢，在使用1%NaOH 溶液、固液比为1∶15 的条件下用微波辅助进行预处理，微波炉火力的高低对木质纤维素糖化率的影响很大。火力越高，也就是微波炉的功率越大越能提高纤维素的转化率，但是同时葡萄糖的结晶程度加剧，降低葡萄糖的选择性，所得的还原糖的含量就越小。加热时间的长短对木质纤维素的糖化率的影响也很大，纤维素水解需要在一定时间下才能水解完全，加热时间过短水解不完全而生成低聚糖，反应时间过长则葡萄糖降解加剧，更多地生成小分子化合物导致葡萄糖选择性下降，导致木质纤维素的糖化率很小。同时，原材料的粉碎程度对其糖化率的影响也很大，原材料的粉碎程度越高，其糖化率也就越高。通过整个实验过程可知玉米秸秆在使用1%NaOH 溶液、固液比为1∶15、微波辅助的条件下粉碎程度为160 目、低火加热6 min所得的还原糖含量最高。以此为底物进行光合制氢具有良好的效果。

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