预处理对杂交狼尾草与生菜叶干式发酵的影响

赵红梅,秦向东,赵志朴

(1.云南农业大学 理学院,云南 昆明 650201;2.云南省高校生物天然气产业化技术工程研究中心,云南 昆明 650201)

我国是最大的能源消耗国之一,这将带来了不可再生能源的匮乏和环境污染问题。为了解决这些问题,很多研究者开始关注洁净的可再生能源[1-4]。生物质能源是其中一种研究较多的可再生资源,将生物质能源转化为洁净能源也是近年来研究的热点之一[5-8]。厌氧发酵技术是将生物质能源转化为洁净能源最有效的手段之一。厌氧发酵技术可以将生物质能源材料中的有机质转化为甲烷、氢气和乙醇等洁净能源。厌氧发酵分为湿式发酵(水的质量分数较高,固体的质量分数TS<15%)和干式发酵(TS>20%)两大类。湿式发酵中需大量水加入,后期将产生大量的污水,会对环境造成二次污染。干式发酵因其水的质量分数低,发酵完后基本无污水,受到了广泛的关注[9]。

杂交狼尾草(Hybridpennisetum)是较好的能源植物之一,具有速度快、产量高和对土壤要求不高等优点,具有较好的发展前景[10]。研究课题组[11-12]对杂交狼尾草的干式和湿式厌氧发酵的研究发现:湿式条件下,添加不同的无机离子(Fe2+,Co2+,Ni2+)有助于促进产气;利用酸碱预处理过程中,NaOH预处理能较好地破坏杂交狼尾草的纤维素、半纤维素,提高杂交狼尾草的产气量;在干式发酵研究中,发现干式发酵后的产气量明显比湿式发酵的产气量高。我国每年有大量的蔬菜废弃物产生,对环境造成较大的污染。蔬菜废弃物本身含较多的糖类和半纤维素,纤维素和木质素质量分数较少(约为8%～19%),且其有机质能被厌氧生物很好地降解,产生甲烷气体[13-17]。刘荣厚等[14]以废弃的甘蓝菜叶为发酵原料,进行了厌氧发酵研究,发现当质量分数为30%时,其总产气量高达7 790.81 mL。生菜叶在单独发酵过程中容易酸化,会导致整个发酵过程受到抑制,杂交狼尾草含纤维素、半纤维素较多,发酵周期长,利用率不高。混合发酵能使杂交狼尾草和生菜叶协同作用,提供发酵过程中微生物群落更理想的生长环境(C与N的质量比),能有效提供2种物质的利用率。杂交狼尾草因为本身纤维素、木质素质量分数较高,为了提高混合产气量,所以对其进行预处理,降解纤维素、木质素,提高利用率也是非常有必要的。

1 实验材料与方法

1.1 材料和仪器

杂交狼尾草原料:采自云南农业大学后山,为自种杂交狼尾草(Hybridpennisetum)的地上部分,阴干后切分为2～3 cm段,常温密封保存。

生菜叶原料:采购自昆明蒜村市场,茎叶一起切碎为2～3 cm段,阴干,常温密闭保存。

接种用污泥:采自昆明市第五水质净化厂,室内保存备用。

实验仪器:SX2-4-10型马弗炉(上海市嵩明实验仪器厂)、DHVT-90型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、DZKW-S-8型电热恒温加热锅(北京市永光明医疗仪器有限公司)、ISO901电子天平(北京赛多利斯天平有限公司)、GT901型甲烷测定仪(深圳科尔诺电子科技有限公司)。

药品:纤维素酶(10 000 kg/g,天津市诺奥科技发展有限公司)、尿素、三甲基咪唑(分析纯)、一氯十六烷(分析纯)。

1.2 实验设计及方法

1.2.1 实验设计

前期实验确定最佳的m(杂交狼尾草)∶m(生菜叶)=3∶1,考虑到杂交狼尾纤维素和木质素质量分数较高,生菜叶也含有少量的纤维素和木质素,预处理过程中,将杂交狼尾草先进行预处理,考察预处理手段对发酵性能的影响。

14组实验,每一组所取得量一样,杂交狼尾草30 g,生菜10 g,1～5组用质量分数分别为2%,4%,6%,8%,10%的尿素将杂交狼尾草喷洒均匀;6～9组用质量分数分别为1%,2%,3%,4%的离子液体将杂交狼尾草喷洒均匀;10～14组用质量分数分别为2%,4%,6%,8%,10%的纤维素酶将杂交狼尾草喷洒均匀后自密封袋中处理7 d,将处理后原料于广口瓶中,按干式发酵TS为20%加入沼泥,搅拌均匀后,进入厌氧发酵阶段。每组设置3个平行试验,每天定时测日产气量和pH值,记录实验数据。

1.2.2 混合发酵原料

杂交狼尾草的性质在前期实验中已经测定过,其纤维素为34.57%,半纤维素为21.37%,木质素为8.24%。在混合发酵原料选择中,植物类m(C)∶m(N)是较为重要的因素之一,研究证明:m(C)∶m(N)在20～30之间在产气效果方面较为理想[17],若m(C)∶m(N)过高,新陈代谢不够完全就不能使有机质完全转化;过低,则会形成过的的氨,不利于微生物的生长[16]。对此,我们对杂交狼尾草和生菜叶元素质量分数进行了测定,其结果如表1所示。

表1 杂交狼尾草和生菜叶元素质量分数分析Table 1 Analysis of the content of elements Hybridpennisetum and Lettuce Leaves

1.2.3 原料和接种物TS测定

原料为杂交狼尾草、生菜叶和活性污泥,其含水率与接种物总固体质量分数TS在(105±5) ℃下,采用干燥恒重法来测定。

1.2.4 绿色溶剂离子液体的合成

将30 mL一氯十六烷和10 mL三甲基咪唑加入圆底烧瓶中,并将磁力搅拌子放入圆底烧瓶中。置于装有甲基硅油的铁锅中,铁锅放置在磁力搅拌器上,圆底烧瓶连接冷凝装置,于80～90 ℃温度下搅拌至黏稠状,结束搅拌。放置,并加入200 mL四氢呋喃后加热搅拌至溶解,放于室温下冷却结晶,使用真空泵抽滤,并将样品收集晾干备用。

2 结果与讨论

2.1 不同质量分数的纤维素酶预处理杂交狼尾草对干式发酵的影响

图1为纤维素酶预处理对杂交狼尾草与生菜叶混合干式厌氧发酵日产气量的变化趋势图。由图1可知:2%,4%,6%处理组变化趋势大致相同,1～4 d开始上升,达到一个峰值360 mL左右,在第9 d达到一个峰值440 mL。在第12 d达到另一个峰值430 mL左右,之后缓慢下降,直到实验结束。8%预处理组1～4 d产气量较高,后面发酵过程中,产气量虽降低,但基本趋于平稳。10%预处理组变化最大,1～4 d大幅度下降到80 mL,之后几天缓慢上升,9～39 d起伏不断的变化,39 d之后缓慢下降。

图1 日产气量随发酵时间的变化Fig.1 Variation of daily biogas yield with fermentation time

图2为纤维素酶预处理对杂交狼尾草与生菜叶混合干式厌氧发酵累积产气量的柱状图。由图2可知:2%,4%,6%,10%的纤维素预处理效果不佳,累积产气量与对照组基本一致。8%的纤维素预处理后,明显比对照组的累积产气量高,达10 700 mL。说明纤维素酶预处理能一定程度破坏杂交狼尾草的纤维素、半纤维素。

图2 纤维素预处理后累积产气量的柱状图Fig.2 Histogram of cumulative biogas productionafter cellulase-pretreated

2.2 不同质量分数的尿素预处理杂交狼尾草对发酵的影响

图3为不同质量分数尿素预处理后的日产气量随发酵时间变化趋势图。由图3可以看出:预处理后的甲烷产气量的变化趋势图基本一致,在第1 d日产气量达到峰值,超过350 mL,之后迅速下降,在第5 d后日产气量开始上升,在第9 d达到一个峰值,产气量为300 mL左右,并于第15 d达到第二个峰值331 mL。

图3 日产气量随发酵时间的变化Fig.3 Variation of daily biogas yield with fermentation time

图4为不同质量分数尿素预处理后的累积产气量的柱状图。由图4可知:不同质量分数的尿素预处理后,累积产气量均高于对照组,8%尿素预处的产气量最高,达9 878 mL。说明尿素可以有效的降解纤维素、半纤维素和木质素,这与前期测定结果一致,8%尿素预处理后纤维素、半纤维素和木质素明显比未预处理的低(预处后的纤维素28.96%,半纤维素19.34%,木质素4.93%;未处理的纤维素34.57%,半纤维素21.37%,木质素8.24%)。

图4 尿素预处理后累积产气量的柱状图Fig.4 Histogram of cumulative biogas production after urea-pretreated

2.3 不同质量分数的离子液体预处理狼尾草时对混合发酵的影响

2.3.1 预处理后的甲烷日产气变化趋势和累积产气量

图5为不同质量分数离子液体预处理后的甲烷日产气量的变化趋势图。由图5可知:离子液体质量分数增大,累积产气量不断增大,但总的累积产气量相比对照组较低。

图5 日产气量随发酵时间的变化Fig.5 Variation of daily methane yield with fermentation time

图6为不同质量分数离子液体预处理后的甲烷累积产气量的柱状图。从图6中可知:随着离子液体质量分数不断增大,累积产气量不断增大,4%离子液体的产气量达9 112 mL。说明离子液体能一定程度有效降解木质纤维素。

图6 离子液体预处理后累积产气量的柱状图Fig.6 Histogram of cumulative biogas production after ion liquid pretreatment

2.3.2 离子液体预处理前后的杂交狼尾草扫描电镜图

图7为离子液体预处理前后的杂交狼尾草的扫描电镜图。从图7可看出:未处理的狼尾草纤维素结构非常紧致,表面较光滑,没有裂痕,离子液体处理的狼尾草表面结构遭到一定程度的破坏,失去了原来的平滑结构,变得疏松。说明离子液体溶解了部分杂交狼尾草的纤维素,破坏了结构,促进发酵,但溶解效果不太理想。

图7 离子液体预处理前后的杂交狼尾草SEM扫描图Fig.7 SEM scans of Hybrid pennisetum afternon-pretreatment andpretreatment

3 结 论

采用不同质量分数的尿素、纤维素和离子液体预处理杂交狼尾草后,将该原料与生菜叶混合发酵,发现8%纤维素预处理效果最佳,累积产气量最高。在离子液体预处理实验中,离子液体明显地破坏了杂交狼尾草的结构,这为后期进一步研究离子液体发酵机制奠定了基础。实验虽然取得一定的效果,但是不同预处理物质的手段和条件还需进一步优化。