酸处理菹草制备生物乙醇和甲烷过程研究

彭书传(1964-),男,安徽六安人,合肥工业大学教授,硕士生导师.

酸处理菹草制备生物乙醇和甲烷过程研究

尹艺冉1,王进1,彭书传1,曹丽斌2,时昌波1,岳正波1

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥230009; 2.南京大学 环境学院,江苏 南京210023)

摘要:文章通过以水生植物菹草为研究对象,对水生植物制备生物乙醇和甲烷过程进行了比较分析,并利用稀酸处理提高其生物可降解性。试验结果表明:对于产乙醇过程,最优的预处理条件为硫酸质量分数2%、温度125 ℃、时间2 h,在此条件下,乙醇产量达75.70 mg/g;而对于产甲烷过程,最优的预处理条件为硫酸质量分数2%、温度115 ℃、时间2 h,最大产甲烷量为110.56 mL/g。X射线衍射仪分析结果显示稀酸预处理后菹草纤维素结构受到不同程度的破坏。分析表明厌氧产甲烷过程效率更高,更适于菹草资源化。研究结果可为水生植物的能源化利用提供技术参考。

关键词:菹草;稀酸预处理;生物乙醇;甲烷

收稿日期：2014-01-02；修回日期：2014-03-27

基金项目：水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2012ZX07103001);国家重点基础研究发展计划(973)预研资助项目(2011CB411904)

作者简介：尹艺冉(1989-),女,安徽合肥人,合肥工业大学硕士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.022

中图分类号:S216.4文献标识码：A

Researchonpreparationprocessofbio-ethanolandmethane

withacidpretreatedcurly-leafpondweed

YINYi-ran1,WANG Jin1,PENG Shu-chuan1,

CAOLi-bin2,SHI Chang-bo1,YUE Zheng-bo1

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.SchooloftheEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

Abstract:The curly-leaf pondweed, as the representative of aquatic plant biomass, was converted to bio-fuel of ethanol and methane and the energy products yields were compared. In both processes the dilute sulfuric acid pretreatment technique was applied to improving the biodegradability of the plants. The results indicated that the optimal acid pretreatment parameters for ethanol fermentation process were sulfuric acid concentration of 2%, temperature of 125 ℃ and reaction time of 2 h, and the maximum ethanol yield reached 75.70 mg/g. For the methanogenic process, the optimal pretreatment parameters were sulfuric acid concentration of 2%, temperature of 115 ℃ and reaction time of 2 h, and the maximum methane yield was 110.56 mL/g. The results of X-ray diffraction(XRD) analysis showed that the cellulose structure of curly-leaf pondweed after acid pretreatment had been damaged to some degree which depended on the treatment intensity. It was showed that the methanogenic process had a higher final energy yield and was more feasible. The results could provide some technical support for the utilization of the aquatic plants.

Keywords:curly-leafpondweed;dilutesulfuricacidpretreatment;bio-ethanol;methane

近年来研究表明水生植物可以利用水体及底泥中的氮、磷等营养物质,同时促进湿地生态系统的硝化和反硝化作用的进行,增强水文系统净化能力,从而实现净化污染水体和水生生态系统修复的目的[1-5]。

当前我国正处于经济高速发展的阶段,不可再生的石油等资源被快速消耗,生态环境遭到前所未有的破坏,生物可再生能源的开发利用和生态修复迫在眉睫。水生植物的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素,其中纤维素和半纤维素可用于制备可再生的生物能源[6]。木质纤维素内部的复杂结构往往制约其生物过程,通常在生物利用之前需要进行一定的预处理[7-8]。而稀酸预处理是目前最常用的方法之一[9-11]。本文以水生植物菹草为例,采取稀硫酸预处理方式,比较预处理过程对制备乙醇和甲烷过程的影响,得到了利用菹草制备生物能源的最优处理条件和工艺。

1材料与方法

1.1　实验材料和试剂

菹草取自安徽省合肥市合肥工业大学校内某池塘,自然晾干后粉碎(<10mm),组成结构分析见表1所列。纤维素酶购自美国Sigma公司,酶活为 30U/mg。试验接种污泥取自合肥市华润啤酒厂厌氧反应器,取回来的污泥先放入培养瓶中,加入适量的菹草及营养液,置于30 ℃水浴锅中培养驯化约半个月后作为接种污泥。营养元素加入量为1mL/L,组成如下:

MgCl2·6H2O 125 g/L，NiCl2·6H2O 0.5 g/L，

CaCl21.0 g/L，NH4Mo7O240.5g/L，

CoCl2·6H2O 0.5 g/L，MnCl2·4H2O 0.5 g/L，

ZnCl20.25 g/L，CuCl2·2H2O 0.35 g/L。

表1　菹草组分分析

注:VS的测量基于总固体(totalsolid,TS)。

1.2　试验方法

1.2.1　稀硫酸预处理

稀硫酸处理过程菹草质量浓度为5g/L,预处理条件设置如下:硫酸质量分数为2.0%、4.0%、6.0%,温度为105 、115 、125 ℃,处理时间1h和2h,共计18批次。预处理过程结束之后,溶液冷却至室温,使用20%NaOH溶液调节pH值至5.0左右,并用500mL蒸馏水洗涤过滤,得到酸预处理后菹草。每组取出少量样品,测定TS,其余的样品装袋冷冻保存。

1.2.2　酶解及发酵实验

实验反应装置为250mL盐水瓶,有效反应体积为100mL。稀硫酸处理后的菹草初始TS质量浓度为5.0g/L,纤维素酶浓度为1FPU/g,加入0.004g/L四环素,使用0.05mol/LpH值为4.8的柠檬酸缓冲溶液。以软胶塞塞住瓶口,铝薄皮密封,置于恒温水浴振荡器中,于50 ℃下进行培养。72h酶解实验结束后,离心后取上清液50mL用于乙醇发酵。酵母接种量为10%,发酵48h后测定乙醇含量。所有的实验组均设定2组平行样,并设置1个空白对照组。

1.2.3　厌氧发酵产气实验

实验反应装置为250mL盐水瓶,有效反应体积为100mL。每组加入酸处理后的菹草初始TS质量浓度为5.0g/L,接种污泥TS质量浓度为1.0g/L。营养元素加入后,pH值调至6.5,用纯净水加至100mL,鼓氮气1min,以软胶塞塞住瓶口,铝薄皮密封,置于恒温水浴振荡器中,于35 ℃下培养,每组另外设置1组平行对照组。

1.3　分析方法

菹草木质纤维素组分的测定采用范氏(VanSoest)洗涤纤维分析法。TS和VS的测定参考标准方法[12]。产气量的测定采用简易玻璃注射器(50mL)排气法收集气体,所测得的气体体积统一换算成标准状态下的气体体积。甲烷含量测定采用气相色谱法(GC),使用TCD检测器,色谱为不锈钢填充柱,载气为氩气,柱前压为0.18MPa,流速为48mL/min,进样口温度、柱温和检测器温度分别为120、70、120 ℃。X射线衍射分析采用日本理学制造公司生产的D/MAX2500V型X射线衍射仪,X光管旋转靶为18kW台式高频X射线发生器,管电压设定为40kV,频率为25kHz,稳定性偏差为±0.01%,采用2θ联动扫描,扫描范围5°～50°。乙醇质量比采用岛津GC2010气相色谱进行测定,采用AOC-20i自动进样装置,色谱柱型号为Stabliwax-DA,30m×0.25mm×0.25μm,以外标法作为色谱图的分析方法,汽化室温度250 ℃,FID检测器温度为250 ℃,采用一阶程序升温,柱温初始温度80 ℃,保留2min,升温速率15 ℃/min,升至190 ℃,停留3min。

2结 果

2.1　预处理对乙醇产量的影响

酸处理对菹草酶解产乙醇的影响如图1所示,未经预处理的菹草发酵产乙醇量为(39.38±0.40)mg/g。由图1可以看出,当w(H2SO4)为6%,处理温度为115 ℃且时间为1 h时,其发酵乙醇产量达到最大(79.70 mg/g);同样当处理条件为115 ℃、4%稀硫酸、1 h时,产量为76.26mg/g;125 ℃、2%稀硫酸、2h条件下,产量为75.70mg/g;以上产量均比对照组提高2倍左右。所有经过稀酸预处理的样品,乙醇产量均有提高,使用稀酸对木质纤维素物质进行预处理的原理是:在高温条件下,有利于稀酸溶出其中的半纤维素及木质素部分,去除可溶性的杂质,达到纯化菹草的目的;可提高孔隙度,为纤维素酶解及发酵开放木质纤维素细胞壁结构[13],以提高纤维素酶或微生物对底物中纤维素的可及度。

由图1可知,处理时间为1h时,处理温度较低时(105、115 ℃),随着稀硫酸质量分数的增大,乙醇的产量有所增加;当处理温度为125 ℃时,乙醇产量开始随着硫酸质量分数的增大而减少。这说明在温度较低且时间较短的情况下,酸质量分数的增加有利于半纤维素的降解,纤维素的结构遭到破坏的程度增大,可以提高与酶的反应有效结合位点。而处理温度较高时,过高的酸质量分数不能帮助进一步溶解半纤维素和木质素,并且可能会在较高的温度下加速过程中的游离羟基通过酯化作用生成硫酸氢酯,进一步生成5-羟基糖醛一类的反应抑制物[14],并且这种物质产生量将随着酸质量分数的进一步增加而提高,从而使还原糖含量降低。因此,底物中纤维素含量的下降,导致酶解发酵反应的产率降低;此外,较强的酸预处理还可能引起已经暴露的纤维素再结晶,这也是产量降低的原因之一。当稀硫酸质量分数为2%、4%时,乙醇产量基本随着温度的上升而有所提高,说明温度的升高更多地破坏原料中木质纤维素的超分子结构,有利于纤维素酶的作用;在稀硫酸质量分数达到6%时,乙醇产量在125 ℃高温时出现了明显的降低。在酸解木质纤维素物质的过程中,水解得到的单糖有可能在高温高酸中进一步发生副作用,得到副产物,其主要成分为有机酸、酚类和醛类化合物。抑制物中含量最多的是乙酸,并且这些副产物往往对微生物发酵过程是有害的,会降低发酵效率[15]。

图1　乙醇产量与温度、稀硫酸质量分数的关系

在反应时间为2h的条件下,由图1b可以看出,在反应温度为125 ℃,稀硫酸质量分数为2%时,得到最大乙醇产量为75.70mg/g。并且在3种处理温度下,预处理液中稀硫酸质量分数的提高在一定程度上均会抑制发酵过程的进行,2%稀硫酸时,乙醇产量平均达到68.19mg/g;文献[16]指出稀酸有效溶解去除半纤维素部分的过程,只适用于高温预处理短暂时间,或者长时间的低温处理,并且通常高温处理较短的时间可以获得更高的可溶性木糖和酶解发酵产率。在稀硫酸质量分数达到6%时,预处理的促进效果最不理想,不同温度下的乙醇产量均在60mg/g左右。这也验证了文献[16]的结论,处理时间较长时,高温预处理不适宜使用较高的稀酸质量分数;而在处理温度和时间都较低时,可以通过增加稀硫酸催化剂的质量分数来提高预处理程度。

2.2　预处理对产甲烷效率的影响

累积甲烷产量与温度、稀硫酸质量分数的关系如图2所示。未经预处理的菹草同等条件厌氧发酵最终累计甲烷产量为(67.68±4.69)mL/g,从图2可以看出,将处理组与对照组进行比较分析,大多数处理组的产气量明显高于对照组,最佳处理组(2%稀硫酸,115 ℃处理2h)的累积产甲烷量为110.56mL/g,比对照组高出82.27%。处理条件为2%、105 ℃、2h时,累计甲烷产量也可达到105.09mL/g。结果中显示有几组稀硫酸预处理累积产甲烷量比对照组低,可能是由于菹草被降解而纤维素依然被包裹在里面,影响了沼气的产量。

图2　累积甲烷产量与温度、稀硫酸质量分数的关系

由图2a可知,处理时间为1h时,在稀硫酸质量分数为2%和4%的情况下, 累积产甲烷量随着温度的升高均有明显降低，当预处理温度为105 ℃时,累积产甲烷量可分别达到91.61mL/g及83.68mL/g,随着温度的继续升高,累计产甲烷量迅速下降到60mL/g以下。当稀硫酸质量分数为6%时,累计产甲烷量降低得较明显,当处理温度为105、125 ℃时，累计产甲烷量维持在69mL/g左右，而处理温度为115 ℃时，累计产甲烷量下降至50mL/g以下。当稀硫酸质量分数一定时,处理温度为105 ℃时甲烷产量最大。

图2b显示,当处理时间为2h时,温度一定,累积产甲烷量随着硫酸质量分数的增大而均有所降低。115℃的预处理最利于产甲烷过程的进行,不同稀硫酸质量分数下得到累积产甲烷量分别为110.56 、93.25、83.38mL/g。当处理温度为125 ℃,硫酸的质量分数为4%和6%时,1h的累计产气量高于2h;而其他情况下,则2h的累积产气量均高于1h。这说明处理时间越长,菹草的结构破坏程度越高,菹草中的纤维素越多地暴露在外面,分解率越高。实验结果显示,预处理后菹草中厌氧发酵产甲烷的最优条件应该是在经济合理的范围内尽可能延长处理时间并且降低预处理液中稀硫酸的质量分数,所以优先选择2%稀硫酸和2h的处理时间。有关稀磷酸对不同生物质的化学预处理的研究有很多。文献[17-22]的结果表明较高的磷酸质量分数(2%～6%)下,低温长时间的处理条件相对更有效。由于磷酸比硫酸价格要昂贵得多,在工业生产和实验中更多选择使用硫酸作为催化剂。

稀硫酸预处理能够破坏纤维素物质结构,减小底物粒径,降低粒径大小有利于纤维素酶与纤维素的有效接触从而提高反应效率[23]。但是在厌氧降解产气的过程中,研究表明并不是粒径越小,产气量越大。文献[24]对秸秆进行简单的切分和粉碎处理,结果显示经过简单切分的秸秆累积产甲烷量较高。文献[25]对水葫芦使用同样的方式处理,得到的结论类似。文献[26]关于酸预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响研究中,6%硫酸预处理具有最佳的产气效果,此时的处理条件为20 ℃恒温恒湿箱中预处理30d。较高温度和硫酸质量分数下的反应程度会有一定的加剧,可能造成稻秆充分降解,干物质损失过多,另一方面也可能产生一些抑制厌氧发酵微生物的物质,如糠醛、酚类物质等,这些都将影响生物利用过程。

2.3　 X射线衍射分析

稀酸预处理前后菹草X射线衍射图如图3所示。其中,曲线a为菹草经105 ℃,2%稀硫酸处理1h;曲线b为菹草经125 ℃,2%稀硫酸处理2h;曲线c为菹草经125 ℃,6%稀硫酸处理2h;曲线d为原始菹草未经处理。

图3　稀酸预处理前后菹草 X射线衍射图

由图3可以看出,菹草稀酸预处理保持甚至引起了结晶度的升高。纤维结构的无定型区比例减小,表现在结晶度有所增大;原有的纤维结构受到破坏,有利于提高纤维酶解发酵效率和累积沼气产量。有研究证明,稀酸预处理对木质纤维素的结晶度的影响具有双重效应[27]:其一是稀酸处理后使纤维素与木质素、半纤维素等分离开,将无定形区的木质素和半纤维素组分除去,提高了木质纤维素的结晶度;其二是稀酸处理能通过润胀作用解开一些高度结合在一起的结晶结构,将纤维素内部氢键打断,使结晶度下降。因而,稀酸处理过程中木质纤维素结晶度的变化依赖于这两重效应的作用强弱。

一般来说,纤维素结晶度的下降将更有利于被纤维素酶水解,但从结果中可以看出结晶度并不是影响菹草酶解最重要的因素,从图2可知,菹草在酸预处理条件下,尽管结晶度比未处理之前有一定升高,但纤维素酶解率仍比未处理的酶解率均有增高,可以判定对于菹草木质素含量和木质纤维素结构形态的影响更为显著。

2.4　产能比较

根据实验结果,以乙醇和甲烷产率为目标,获得了酸处理的最佳条件,见表2所列。经过预处理后乙醇产量比对照组高出92.25%～102.41%,累计甲烷产量比对照组提高44.22%～63.36%。不同预处理参数组合都可以达到最大量(彼此差异不显著),产甲烷过程可以获得的热能为3.89～4.41kJ/g,远高于产乙醇过程。因此,厌氧发酵产甲烷更适宜于菹草的资源化利用,可以通过经济廉价的预处理条件(2%稀硫酸,115 ℃处理2h)获得最高的经济价值产出,即每克菹草(干质量)可获得4.41kJ能量。

表2　最优条件下菹草不同发酵方法的产能量

注:乙醇燃烧热为1 366.8kJ/mol;甲烷燃烧热为890.31kJ/mol。

3结论

酸处理能够有效地提高菹草制备乙醇的产率,最优的预处理条件为硫酸质量分数2%,温度125 ℃、时间2h,乙醇产率达75.7mg/g,比空白组提高92.25%。而对于产甲烷过程,最优的预处理条件为硫酸质量分数2%、温度115 ℃、时间2h时,每克菹草通过厌氧发酵可得到累计产甲烷量110.56mL,比空白组提高约63.36%。XRD分析结果显示稀酸预处理后菹草纤维素结构受到不同程度的破坏。生物能源产生的热值分析表明厌氧产甲烷过程更适于水生植物的资源化。

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(责任编辑张淑艳)