兩種預處理方法對低次煙葉厭氧消化產沼氣的影響

趙崧岐　宋洪川　高旭紅等

摘要研究了7%黑曲霉預處理和7%復合酶預處理低次煙葉對低次煙葉厭氧消化產沼氣的影響。通過試驗數據對兩種生物預處理方法產氣效果進行了比較，得到了7%的黑曲霉預處理低次煙葉進行厭氧消化產沼氣的產氣效率更高，低次煙葉分解更徹底的結論。

關鍵詞低次煙葉；厭氧發酵；沼氣；預處理

中圖分類號S572文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）07-263-02

我國是世界煙葉的主產國，我國煙草植物的種植面積和產量均居世界首位。據統計，2006年煙草植物種植面積為104.8萬hm2，煙葉和卷煙產量均占世界總產量的1/3。2003年煙葉總產量（PAO統計口徑）230.8萬t，占全球煙葉總產量619.2萬t的37.3%[1]。

目前作為煙草生產大國，我國每年煙葉產量中約有近25%（近90萬～150萬t）的煙葉、煙末等下腳料被廢棄，不能用于卷煙生產，這已造成嚴重的環境污染。以云南為例，作為煙草大省，云南每年烤煙產量中約有30%～35%屬于無法進行卷煙加工的低等或等外級煙葉未能得到合理利用。

在卷煙生產中，由于卷煙對煙葉的品質要求較高，等級質量高的煙葉往往優先利用，且供不應求，低次煙葉除很少一部分用來做膨脹煙絲或薄片，其余大部分在倉庫中堆放，有的甚至發霉變質，沒有充分發揮其真正的使用價值，造成資源的浪費，從而給國家和企業造成巨大的經濟損失。現在世界上各國煙草企業為了追求更高的經濟效益，都在倡導提質降耗，力求資源的最佳配置和合理利用。

據現有相關文獻報道[2]，厭氧消化反應是有效利用煙草廢棄物的方法之一。通過厭氧消化的過程，不僅可脫去煙草廢棄物中的毒性，產生沼氣為人類生產生活提供所需能源動力；同時，其發酵殘余物還可有效防治多種病蟲害，從而為我國有機農業的發展提供有利條件[3]。然而，在常規厭氧消化過程中，煙草廢棄物的發酵會引起產甲烷微生物群慢性中毒，使沼氣池不能正常運行[4]。因此，有效的預處理是保證煙草廢棄物正常進行厭氧發酵的前提，同時也是提高煙草廢棄物厭氧發酵產沼氣含量及效率的關鍵。以經濟、環保、高效為出發點，筆者研究了兩種不同的生物預處理方法對低次煙葉厭氧消化產沼氣的影響，旨在為提高低次煙葉厭氧消化產沼氣效率方面提供依據。

1材料與方法

1.1材料以添加玉米芯的經過一年培養的豬糞和人糞混合的沼氣池底泥為接種物；以云南省紅河州彌勒市的未能得到有效利用的低次煙葉作為發酵原料；以黑曲霉和復合酶作為預處理試劑。家用密封保鮮盒2個，恒溫水槽1個。

1.2試驗設計

首先，測定未經處理的煙葉的TS（總固體）為90.02%，VS（揮發性固體）為14.55%。將未處理的煙葉400 g經過粉碎至4～8 mm后，兌水3 200 ml使含水量達到90%，均分到兩個保鮮盒中，分別加入質量分數為7%的黑曲霉和質量分數為7%的復合酶，密閉，放入38 ℃恒溫水槽中處理7 d。

其次，將處理好的煙葉分為黑曲霉、復合酶和對照組3組，每組3個平行，進行發酵（對照組為沒有進行預處理的煙葉）。發酵液總體積為500 ml，接種物體積為150 ml，發酵濃度為6%，發酵持續時間為45 d，發酵前分別對發酵液的TS和VS進行測定。

試驗裝置由發酵瓶、集氣瓶和計量瓶組成。選用1 000 ml錐形瓶作為發酵瓶，利用橡膠塞密封，橡膠塞上設有導氣孔；集氣瓶為1 000 ml廣口瓶，瓶口用橡膠塞密封，橡膠塞上連接用于導氣和排氣的三通管，排水口與計量瓶連接。

試驗裝置如圖1所示。發酵物料基本性質如表1所示。

注：1.發酵瓶；2.集氣瓶；3.讀數瓶（排水瓶）。

圖1試驗發酵裝置

表1發酵物料基本性質

試驗組試驗溫度℃低次煙葉∥g接種物g發酵料液體積∥ml發酵料液總固體質量分數%pH

黑曲霉室溫75.731505006.116.540

復合酶室溫56.901505006.326.533

對照組室溫19.921505006.456.738

1.3測試項目及方法

①TS含量和VS含量：參照文獻[5]中的相關方法測定。

②pH采用PHS-25酸度計進行測定。

③產氣量利用排水集氣法收集沼氣，根據水的體積測量出沼氣的產量。

2結果與分析

黑曲霉預處理、復合酶預處理和對照組的日產氣量情況如圖2所示。由圖2可知，對照組在發酵的1～7 d出現一個產氣高峰，之后出現了產氣的間歇期。這是由于隨著前期發酵的進行，出現產氣高峰后，伴隨著烤煙秸稈的分解，有機酸積累逐漸增多，抑制了甲烷菌的生長，發酵系統失去平衡，產氣量減少[6]。而隨著發酵體系的自身調節，在35～39 d出現第二個產氣高峰，整個發酵時間持續47 d。同樣的，復合酶預處理也出現了類似的情況。而黑曲霉預處理則沒有出現這種現象，這說明黑曲霉預處理很好地解決了發酵過程中有

圖2日平均產氣量對比

機酸過度積累抑制甲烷菌生長的現象[7]。

由圖3可知，黑曲霉預處理發酵進行到第22天，產氣趨于平穩，總產氣量為2 535 ml；復合酶預處理在第10天產氣趨于平穩后，在第25天繼續產氣，總產氣量為1 455 ml；對照組在第7天產氣量趨于平穩，在第35天繼續產氣，總產氣量為3 150 ml。

圖3累計產氣量對比

3結論與討論

綜上所述，各組試驗中，由黑曲霉預處理后，低次煙葉中纖維素、半纖維素和木質素總體含量降低，發酵啟動時間短，發酵效率得到明顯的提高。由復合酶預處理后，低次煙葉中的纖維素、半纖維素和木質素總體含量降低，但處理過程中原料消耗過大，導致日產氣量和累計產氣量均不足，發酵效率同對照組比較也沒有得到明顯的改善。因此通過質量分數7%的黑曲霉預處理低次煙葉進行厭氧發酵是一種相對經濟、合理且對環境友好的發酵方式。

3.1不同預處理對低次煙葉厭氧消化日產氣量的影響

不同預處理方法的日產氣量變化如圖2所示，可見黑曲霉預處理的日產氣量變化波動不大，而復合酶預處理以及對照組的日產氣量變化較大，且對照組的日最高產氣量達到了690 ml。由此可見，黑曲霉預處理很好地控制了厭氧消化前期大量揮發性有機酸的積累對甲烷菌生長的抑制作用[8]。

3.2不同預處理對低次煙葉厭氧消化累計產氣量的影響

不同預處理方法的累計產氣量變化如圖3所示，可見各個試驗組的累計產氣量差距顯著，其中以對照組最高，為3 150 ml，黑曲霉預處理后累計產氣量居中，為2 535 ml，而復合酶預處理的產氣量最低，為1 455 ml。這是由于在預處理的過程中，黑曲霉和復合酶消耗了一定量的發酵原料，使得厭氧消化過程的產氣量變少[9]。

3.3不同預處理對低次煙葉厭氧消化產氣時間的影響

由圖3可知，黑曲霉預處理極大地提高了煙葉厭氧消化的產氣效率，整個厭氧消化過程只需要21 d。而復合酶預處理則依然與對照組厭氧消化的時間相同，都是47 d。黑曲霉預處理與復合酶預處理以及對照組的比較中可以發現，黑曲霉預處理厭氧消化的效率提高了55.31%[10]。

參考文獻

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