纖維素酶預(yù)處理對木糖渣沼氣發(fā)酵性能的影響

李秋園

(1.中溶科技股份有限公司研發(fā)中心, 河北 唐山 064000 ; 2.河北省非糧乙醇技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 唐山 064000)

隨著化石資源的日益短缺，利用可再生生物質(zhì)資源生產(chǎn)燃料和化學(xué)品已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。玉米芯中的半纖維素經(jīng)稀酸催化水解產(chǎn)生木糖液，再經(jīng)脫色、濃縮、離子交換、冷卻結(jié)晶制備木糖，是生物質(zhì)資源利用的成功先例。但是，目前玉米芯水解后產(chǎn)生的廢渣即木糖渣，一般作為廢棄物處理，用作食用菌栽培或直接做燃料燒掉[1-2]，浪費了木質(zhì)素和纖維素資源，增加了木糖生產(chǎn)成本，使木糖行業(yè)陷于微利或維持狀態(tài)。如何有效地利用木糖渣是目前木糖產(chǎn)業(yè)的研究重點之一。

木糖渣能夠被利用的關(guān)鍵步驟在于纖維素的糖化，木糖渣中的纖維素在纖維素酶的作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥倪€原糖[3]。姜力鳳等利用亞硫酸鈉處理木糖渣去除木質(zhì)素，獲得高含量的纖維素，可以有效提高纖維素酶解效率和葡萄糖得率[5]，但存在化學(xué)物質(zhì)污染環(huán)境問題；山東龍力公司利用木糖渣經(jīng)纖維素酶水解后來生產(chǎn)乙醇，但纖維素酶用量較大，成本較高，無經(jīng)濟優(yōu)勢。將木糖渣酶解后進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的研究報道還很少見。

為充分利用木糖生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的木糖渣，本文結(jié)合本廠生產(chǎn)實際及現(xiàn)有資源，進行木糖渣高溫發(fā)酵生產(chǎn)沼氣研究。先用纖維素酶處理木糖渣，然后將其用于沼氣發(fā)酵。沼氣是一種新型清潔能源，即可用作燃料代替化石能源，也可提純甲烷用作化工原料[4]。本文將木糖渣用于沼氣發(fā)酵，將固體廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託猓瑢崿F(xiàn)了木糖和沼氣的聯(lián)產(chǎn)，既減少了環(huán)境污染，制成的沼氣還可以用來發(fā)電或燒鍋爐產(chǎn)生蒸汽，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)綜合競爭力。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

木糖渣，樂亭縣奧祥木糖醇有限公司提供，玉米棒芯經(jīng)過稀酸處理，降解出里面的半纖維素后剩余的殘渣。

纖維素酶，里氏木霉經(jīng)深層發(fā)酵制得，(酶活力400 FPU·mL-1，最適反應(yīng)條件為50℃，最適pH值為4.8)，中溶科技股份有限公司提供。

活性污泥，取自中溶科技股份有限公司高溫厭氧罐，罐培養(yǎng)溫度為55℃～60℃，絮狀污泥。活性污泥TS=7.5%，VS=4.65%。

1.2 試驗裝置

自行設(shè)計的試驗裝置，由恒溫加熱磁力攪拌器、厭氧發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶等部分組成，厭氧發(fā)酵裝置為1000 mL廣口試劑瓶，集氣裝置由5 L集氣瓶(飽和食鹽水)，5 L集水計量瓶組成，用于收集產(chǎn)氣。裝置示意圖如圖1所示。

1.恒溫加熱磁力攪拌器; 2.厭氧發(fā)酵瓶; 3.集氣瓶; 4.集水瓶圖1 試驗裝置圖

1.3 試驗設(shè)計

木糖渣：晾干后保存?zhèn)溆谩Ｄ咎窃M分：水分15.03%，纖維素53.12%，木質(zhì)素18.75%，半纖維素1.38%，苯醇抽出物7.77%，灰分6.03%。

木糖渣酶解預(yù)處理：分別稱取21 g晾干后的木糖渣于5個500 mL的不同三角瓶中，加入278 mL水和6 mL pH 值4.5的乙酸-乙酸鈉緩沖液，使單瓶混合液體重量為300 g左右。浸泡2 h，調(diào)節(jié)pH值至4.8，按10，20，30，40，50，60 FPU·g-1添加量分別加入纖維素酶，攪勻后用塑料薄膜封口，50℃水浴，100 r·min-1條件下反應(yīng)48 h，酶解液10000 r·min-1離心5 min，取上清液，測定還原糖的濃度。每10 h取樣分析還原糖。試驗重復(fù)3次。

發(fā)酵試驗：試驗分為試驗組和對照組。試驗組加充分混勻的酶解后木糖渣酶解液300 g，活性污泥400 g，總體系700 g；對照組取不經(jīng)纖維素酶處理木糖渣液300 g，活性污泥400 g，總體系為700 g。其他條件均相同，將試驗組和對照組分別在溫度為57.5℃，攪拌轉(zhuǎn)速為100 r·min-1條件下厭氧發(fā)酵培養(yǎng)并進行沼氣收集，培養(yǎng)持續(xù)時間為20天。每天定點觀察氣體產(chǎn)量、取樣分析沼氣氣體成分，發(fā)酵開始前和發(fā)酵結(jié)束后分別測定TS，VS，pH值。

1.4 測試項目及方法

總固形物含量(TS)測定：105℃干燥恒重法[6]；

揮發(fā)性固形物含量(VS)測定：灼燒恒重法[6]；

pH值測定：用雷磁PHS-3C pH計進行檢測；

氣體體積測定：排水法，集氣瓶裝滿飽和食鹽水以防止CO2溶于水中；

氣體成分測定[6]：氣相色譜檢測，選用5A分子篩不銹鋼填充柱色譜柱(Φ4 mm×2 m)，載氣為氫氣，載氣壓力為0.14 MPa，柱溫70 ℃，樣品室120 ℃，熱導(dǎo)檢測器(TCD)，檢測器180 ℃，熱導(dǎo)池70 ℃，利用外標法測定混合氣體中甲烷含量。

還原糖檢測方法：DNS比色法[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同纖維素酶用量對木糖渣水解產(chǎn)糖能力的影響

纖維素酶對木糖渣的水解效果可通過測定酶解后酶解液中還原糖的含量進行比較。經(jīng)差異顯著性分析，p<0.01，說明添加纖維素酶與對照組(不添加纖維素酶)相比，差異極顯著，由此可見，添加纖維素酶對木糖渣水解產(chǎn)糖能力有極大促進作用。不同纖維素酶用量對木糖渣水解產(chǎn)糖能力的影響結(jié)果見圖2。在纖維素酶的添加量低于40 FPU·g-1時，還原糖質(zhì)量濃度隨著纖維素酶量的增加而不斷增加，當(dāng)纖維素酶用量為40 FPU·g-1時，酶解液中的還原糖量達到最大值，繼續(xù)增加纖維素酶用量，還原糖的量不再增加。因此本試驗最終選用40 FPU·g-1纖維素酶對木糖渣進行預(yù)處理，此濃度既可保證較高催化效率，也可使木糖渣中還原糖濃度達到最大值。

圖2 不同酶用量條件下反應(yīng)液中還原糖濃度變化

2.2 纖維素酶預(yù)處理對木糖渣發(fā)酵指標的影響

在木糖渣中添加40 FPU·g-1的纖維素酶進行預(yù)處理，處理后的酶解液和污泥合瓶，發(fā)酵培養(yǎng)，試驗組和對照組發(fā)酵培養(yǎng)前后總固形物含量(TS)、揮發(fā)性固形物含量(VS)和pH值的變化見表1。

表1 發(fā)酵前后反應(yīng)液TS，VS及pH值的變化 (g)

從表1中數(shù)據(jù)可知，試驗組發(fā)酵后總固形物和揮發(fā)性固形物分別減少20.09 g和16.42 g，TS利用率和VS利用率分別為39.79%和43.52%；對照組的TS和VS利用率分別為20.32%和21.30%。試驗組相對于對照組TS和VS利用率分別提高19.47%和21.85%。說明添加纖維素酶能有效酶解木糖渣中固形物，提高木糖渣的利用率。

pH值是沼氣發(fā)酵中能表現(xiàn)反應(yīng)過程的一個重要指標，合瓶完成后，pH值為7.8左右。開始發(fā)酵以后，發(fā)酵系統(tǒng)pH值在發(fā)酵前4天內(nèi)處于比較不穩(wěn)定的狀態(tài)，最低pH值出現(xiàn)在第2天，為5.0～6.0。這可能是由于經(jīng)纖維素酶預(yù)處理的木糖渣中的單糖含量較高，容易被水解性細菌利用并產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，從而造成系統(tǒng)pH值降低。但是隨著單糖的消耗，系統(tǒng)pH值逐漸恢復(fù)正常并穩(wěn)定在7.3左右。發(fā)酵后期pH值穩(wěn)定在7.3，說明木糖渣在產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌的作用下，仍然有一部分高分子化合物在持續(xù)地被降解為低分子化合物，產(chǎn)生了一些揮發(fā)性脂肪酸[8]。

2.3 發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量變化分析

發(fā)酵過程中對裝置日產(chǎn)氣量進行監(jiān)測，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，試驗組在整個發(fā)酵階段共有兩個產(chǎn)氣高峰，第1個產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在發(fā)酵開始后的第1天，日產(chǎn)氣量達到1529 mL，而第2個高峰出現(xiàn)在第4天，日產(chǎn)氣量達到1400 mL，第2個產(chǎn)氣高峰以后，系統(tǒng)日產(chǎn)氣量逐漸下降，直到第20天，試驗組保持日產(chǎn)氣量200 mL。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因為接入活性污泥后，活性污泥中的產(chǎn)氣性細菌會優(yōu)先利用葡萄糖等速效碳源進行生長，在速效碳源被用盡后，會逐步轉(zhuǎn)為對遲效碳源的利用[9]。之后由于可利用還原糖減少，日產(chǎn)氣量也逐步降低。

對照組在第2天出現(xiàn)一個產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量達到475 mL，此后日產(chǎn)氣量逐漸下降，直到第20天，系統(tǒng)產(chǎn)氣量和試驗組基本持平，維持在200 mL·d-1。產(chǎn)生這種趨勢可能與剛接入活性污泥后，由于木糖渣本身包含少量的木糖等速效碳源，經(jīng)過第1天短暫的延滯期后，第2天即為產(chǎn)氣高峰。但由于木糖渣難以降解，第3天開始，產(chǎn)氣量迅速下降并維持在較低的水平，沒有太多可直接利用的碳源，一些細菌代謝緩慢，經(jīng)過不斷適應(yīng)環(huán)境后逐步分解木糖渣獲得碳源維持生長[10-11]。

圖3 厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量的變化

2.4 發(fā)酵過程總產(chǎn)氣量和TS，VS產(chǎn)氣率

試驗組和對照組累計產(chǎn)氣量見圖4，由圖4可以看出，試驗組前8天產(chǎn)氣速率增長較快，第8天后產(chǎn)氣速率進入平穩(wěn)期，20 d總產(chǎn)氣量達到11645 mL。對照組產(chǎn)氣量增長緩慢，總產(chǎn)氣量僅為4970 mL，試驗組的產(chǎn)氣速度和總產(chǎn)氣量均優(yōu)于對照組，提高幅度明顯。試驗組TS和VS產(chǎn)氣率分別為579.64 mL·g-1和709.20 mL·g-1，對照組TS和VS產(chǎn)氣率分別為500.50 mL·g-1和627.53 mL·g-1。試驗組TS和VS產(chǎn)氣率與對照組相比均有較大提高，說明利用纖維素酶預(yù)處理木糖渣，先將纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿犹穷悾谙鄬Τ墒斓捏w系中，由于產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌生長狀況穩(wěn)定，小分子糖類更易代謝，因此產(chǎn)氣能力也相應(yīng)較強，有利于木糖渣發(fā)酵產(chǎn)沼氣[12]。按照理論值計算，木糖渣中的纖維素在細菌的作用下能夠全部被代謝掉，經(jīng)過纖維素酶處理轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿右院螅菀妆患毦茫栽囼灲M原料消耗率和產(chǎn)氣率較對照組都有明顯提高[13]。說明在纖維素酶作用下，能夠有效提高原料利用速率，在生產(chǎn)過程中，能夠有效提高產(chǎn)氣效率和設(shè)備利用率。

圖4 厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量的變化

2.5 發(fā)酵過程中甲烷含量的變化

甲烷含量的高低直接影響到沼氣的品質(zhì)，甲烷含量越高，沼氣品質(zhì)就越高[14]。因此試驗對發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷含量進行了測定，結(jié)果見圖5。

圖5 厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量的變化

發(fā)酵初期試驗組和對照組的甲烷含量較低，兩組均低于40%。在發(fā)酵3天后快速達到50%左右，之后一段時期內(nèi)兩組均穩(wěn)定保持在50%～60%。相比對照組，試驗組的甲烷含量并沒有明顯變化。出現(xiàn)以上現(xiàn)象可能與沼氣發(fā)酵前期水解產(chǎn)酸過程密切相關(guān)，此時水解/發(fā)酵性細菌增殖較快，揮發(fā)酸和二氧化碳的產(chǎn)量升高，發(fā)酵系統(tǒng)中的 pH值下降影響了產(chǎn)甲烷菌的增殖；同時，由于起始發(fā)酵階段發(fā)酵系統(tǒng)中含有氧氣，不利于產(chǎn)甲烷菌的增殖，因此甲烷含量偏低[15]。

3 討論與結(jié)論

木糖渣的利用主要是將其中的纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫奶牵咎窃且杂衩仔尽⒏收嵩饶举|(zhì)纖維素為原料，經(jīng)工業(yè)上的工藝處理得到的廢渣，是優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)資源。目前，我國每年木糖渣排放量約有1.3×108t，被利用的部分卻很少。由于經(jīng)過工藝處理后木糖渣木質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，易于被微生物利用和降解，因此，充分合理利用此種資源，符合新能源的開發(fā)戰(zhàn)略。目前，關(guān)于木糖渣的資源化利用的研究也較多，但主要集中于利用酸、堿、有機溶劑等對木糖渣進行處理[16-21]，利用纖維素酶對木糖渣進行處理還未見報道。纖維素酶多為霉菌發(fā)酵獲得，纖維素酶用量太大也會造成成本增加，經(jīng)濟效益降低；另外金曙光[7]利用纖維素酶預(yù)處理林業(yè)廢棄物產(chǎn)沼氣研究中，指出纖維素酶用量過大會造成體系pH值降低過快，反而不利于后續(xù)的沼氣發(fā)酵。

因此，本研究利用40 FPU·g-1纖維素酶預(yù)處理木糖渣，酶解液中還原糖的含量達到最大值，繼續(xù)添加纖維素酶，酶解液中還原糖的量不再增加。從日產(chǎn)氣量，原料利用率和原料組分含量變化等各項指標來看，利用纖維素酶預(yù)處理能大幅度提高木糖渣發(fā)酵產(chǎn)沼氣的能力，添加纖維素酶預(yù)處理木糖渣，TS和VS產(chǎn)氣率可達到579.64 mL·g-1和709.20 mL·g-1，相比不添加纖維素酶處理的對照組分別提高19.47%和21.85%。在20 d試驗期內(nèi)，試驗組的產(chǎn)氣速度和總產(chǎn)氣量均優(yōu)于對照組，提高幅度明顯。兩組的甲烷含量沒有太大差別，均在60%左右。本研究利用纖維素酶預(yù)處理木糖渣，能夠縮短木糖渣發(fā)酵產(chǎn)沼氣周期。