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Improvement of anaerobic fermentation of rice straw by integrated wet-milling and ammonia pretreament

氨水湿磨对稻草厌氧发酵的促进作用



全 文 :第9卷第5期
2011年9月
生 物 加 工 过 程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
Vol.9No.5
Sep.2011
doi:10.3969/j.issn.1672-3678.2011.05.009
收稿日期:2011-04-29
基金项目:国家自然科学基金委 广东省政府联合基金资助项目(U0733001);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目
(2009CB724700)
作者简介:钱 莉(1986—),女,江苏宜兴人,硕士研究生,研究方向:生物化工;缪冶炼(联系人),教授,Email:ylmiao@njut.edu.cn
氨水湿磨对稻草厌氧发酵的促进作用
钱 莉,缪冶炼,蒋学剑,林丽军
(南京工业大学 食品与轻工学院 材料化学工程国家重点实验室,南京 210009)
摘 要:提出了为改善稻草厌氧发酵效率的氨水湿磨预处理方法。首先对稻草进行剪切、粗粉碎和氨水湿磨处理,
然后采用单相法对预处理稻草进行厌氧发酵,以把握稻草厌氧发酵中反应速率和发酵料液pH的变化特征,探明材
料大小、氨水质量分数对稻草厌氧发酵反应速率和产气率的影响。结果表明:稻草厌氧发酵可分为初期、中期和后
期3个阶段。发酵料液pH在发酵初期呈下降趋势,在发酵中期和后期基本稳定在65~70。氨水湿磨处理不仅
减小了稻草的材料尺寸,而且能松弛组织结构、提高碳氮比。采用质量分数为02%的氨水对稻草进行湿磨处理
后,平均产气速率和产气率分别从剪切稻草的7mL/(g·d)、216mL/g增加到14mL/(g·d)、378mL/g。
关键词:厌氧发酵;预处理;稻草;湿磨
中图分类号:TK6    文献标志码:A    文章编号:1672-3678(2011)05-0043-05
Improvementofanaerobicfermentationofricestrawbyintegrated
wetmilingandammoniapretreament
QIANLi,MIAOYelian,JIANGXuejian,LINLijun
(StateKeyLaboratoryofMaterialsOrientedChemicalEngineering,ColegeofFoodandLightIndustrialEngineering,
NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)
Abstract:Anintegratedwetmilingandammoniapretreatmentwasproposedtoimprovetheeficiencyof
anaerobicfermentationofricestraw.Thericestrawspretreatedbycuting,grindingandwetmilingwere
subjectedtosinglephaseanaerobicfermentationtoinvestigatethecharacteristicsofreactionrateandpH
offermentationfeedliquor,andefectsofparticlesizeandammoniaconcentrationonreactionrateandgas
yield.Theexperimentalresultsshowedthattheanaerobicfermentationofricestrawcouldbedividedas
early,middleandlatesteps.ThepHoffermentationfeedliquordecreasedintheearlystepandwas
65-70inthemiddleandlatesteps.Particlesizeandammoniaconcentrationhadsignificantefectson
thereactionrateandthegasyield.Theaveragegasproductionrateandthegasyieldwere7mL/(g·d)
and216mL/gforthecutricestraw.Theaveragegasproductionratewasincreasedto14mL/(g·d),
andthegasyieldwasincreasedto378mL/gbythewetmilingwith02% ammonia.
Keywords:anaerobicfermentation;pretreatment;ricestraw;wetmiling
  稻草等农作物秸秆是粮食生产的副产品,大多 数秸秆在田头被直接焚烧,不仅造成能源的巨大浪
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费,也带来严重的环境污染[1]。
  稻草通过厌氧发酵生产沼气,是稻草能源化和
资源化利用的一种有效途径[2-3]。但是,稻草的厌
氧发酵中还存在如下问题:1)与其他木质纤维素材
料一样,结构复杂,难被微生物分解[4];2)由于密度
小,在水中易漂浮,会发生结壳[2];3)含氮量低,使
得碳氮比过高,不适合厌氧发酵中微生物的生
长[5]。因此,为了提高稻草的厌氧发酵效率,必须
对稻草进行预处理[6]。
  碱液湿磨预处理是一种提高木质纤维材料酶
解效率的新技术[7]。对玉米秸秆进行碱液湿磨处
理(10%的 NaOH,室温,1h)后,酶解中还原糖收
率增加到 467%,大约为未处理玉米秸秆的 4
倍[8]。此外,对于厌氧发酵来说,将秸秆的长度减
少到10mm或用10%氨水浸泡秸秆24h,能够改善
秸秆厌氧发酵的产气率[9-10]。
  针对稻草水解难、碳氮比低等问题,笔者提出
一种能够对稻草同时进行机械和化学作用,而且湿
磨的氨水在厌氧发酵中继续使用,整个预处理和厌
氧发酵过程中无废水排放的预处理方法———氨水
湿磨预处理法。即:先对稻草进行剪切、粗粉碎和
氨水湿磨处理,再对预处理稻草进行厌氧发酵,以
把握稻草厌氧发酵中反应速率和发酵料液 pH的变
化特征,考察材料大小、氨水质量分数对稻草厌氧
发酵反应速率和产气率的影响。
1 材料与方法
11 稻草和污泥
  稻草取自2008年南京市浦口区生产的水稻(汕
优8号),自然干燥后,常温保存。根据vanSoest法分
析得知:稻草中含有147%水溶性物质、381%纤维
素、217%半纤维素、124%木质素和 131%灰
分[11]。原料稻草的碳氮比值大约为75。
  污泥取自南京工业大学创新中心的沼气中试
发酵池,污泥呈黑色,黏稠状,有臭味,水分974%。
12 稻草预处理
  采用剪切、粗粉碎和湿磨的方法,制备不同大小
的稻草试样。剪切采用剪刀将稻草切成1~2cm的
长度。粗粉碎采用植物粉碎机(FZ102型,北京永光
明医疗仪器厂)将稻草粉碎、过筛(380μm)。湿磨采
用球磨机(XQM 4L型,南京科析试验仪器研究所),
以水为介质,在液料比为 10∶1(mL/g)、转速 500
r/min、常温条件下对稻草进行湿磨1h。粗粉碎和水
磨稻草的粒度分布采用粒度分析仪(2000,Malvern,
UK)测定,结果见图1。由图1可知:粗粉碎稻草的粒
径在042mm以下的范围内呈正态分布,中位径为
017mm;水磨稻草的粒径分布在05~500μm的范
围内呈正态分布,中位径为25μm。
图1 粗粉碎和水磨稻草的粒度分布
Fig.1 Particlesizedistributionsofcut
andwetmiledricestraws
  此外,为了考察氨水质量分数对预处理及厌氧
发酵的影响,湿磨介质的氨水质量分数分别设定在
0、01%、02%、03%和05%,其他条件不变。不
同质量分数的氨水采用质量分数为25%的氨水(上
海中试化工总公司)稀释而成。
13 厌氧发酵
131 实验装置
  采用回分式单相法进行稻草的厌氧发酵。如
图2所示:实验装置主要由发酵罐(容积15L)、水
浴锅、集气瓶、集水瓶等组成。发酵罐由水浴锅加
热,其温度设定在35℃。在发酵罐上配置有发酵液
取样口,此外在发酵罐下方气体管道上配置有产品
气体取样口。集气瓶和集水瓶用于产气量测定。
实验装置组装后,在各接口处涂抹凡士林,以保证
发酵罐和集气瓶的气密性。
图2 厌氧发酵实验装置
Fig.2 Schematicdiagramoftheexperimental
apparatusforanaerobicfermentation
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132 发酵料液的制备
  以预处理后的稻草为底物,配制发酵料液。称
取相当于干物50g的预处理稻草试样和250g污泥
(湿物),置于发酵罐中,加水至1L。发酵料液中稻
草干物的质量浓度均为50g/L。
  剪切、粗粉碎和水磨稻草的碳氮比值均为75,
与原料稻草相同;01%、02%氨水湿磨的碳氮比
值分别为26和16。据文献[1,10]可知,适宜于厌
氧发酵的碳氮比值范围为15~35。因此,在发酵
料液制备中,用25%的氨水将这5种预处理稻草
发酵料液的碳氮比值调整到 15。此外,03%、
05%氨水湿磨的碳氮比值分别为11和4,已经低
于稻草厌氧发酵需要的最低碳氮比,因此不再进
行碳氮比调整。最后,发酵料液的 pH采用碳酸氢
钠溶液统一调整到65。
133 发酵液pH、产气率及气体成分测定
  厌氧发酵过程中,按照一定时间间隔测定发酵
液pH、产气量和产品气体成分。用小铁丝钩住少量
的棉花球,从发酵罐取样口插入发酵液中吸取发酵
液,然后用标准精密pH试纸测定发酵液的 pH。以
集水瓶(图2)中的水量(其体积用量筒测量)表示
产气量,分别采用下式计算产气速率 rg和产气率 Yg
(mL/g)。
rg=vg/(mt) (1)
Yg=Vg/m (2)
式中:vg为测定时间 t内的产气量,mL;m为稻草干
物质量,g;t为测定时间,d;Vg为总产气量,mL。
用注射器从发酵罐出口处的取样口采取气体
试样,用气相色谱仪(TC2010,日本岛津公司)分析
各成分的浓度。
2 结果与讨论
21 稻草厌氧发酵的特征
  在厌氧发酵中,各稻草试样都表现出相似的产
气速率变化模式(图3)。由图3可知:发酵开始后
立刻就有气体产生,是因为发酵液制备中使用了含
有微生物群和有机物的污泥。根据产气速率的变
化模式,可将稻草厌氧发酵过程大致分为初期、中
期和后期3个阶段。在稻草厌氧发酵初期,微生物
处于适应期,并且稻草还没有水解,所以产气速率
较小。随着污泥所含有机物的消耗,产气速率逐渐
降低。在稻草厌氧发酵中期,微生物进入对数生长
期,稻草向沼气的转化效率最高。当微生物代谢达
到最旺盛时,产气速率达到最大值。在稻草厌氧发
酵后期,微生物进入衰退期,可以反应的稻草也越
来越少,从而导致产气速率相应下降。
图3 厌氧发酵中产气速率的变化模式
Fig.3 Changepaternofgasproductionrate
duringanaerobicfermentation
  因此,以厌氧发酵中期的平均产气速率来表示
稻草厌氧发酵的反应速率,讨论稻草材料大小、氨
水质量分数的影响。对数期的平均产气速率(简称
平均产气速率)rgL的计算公式为
rgL =
vgL
mtL
(3)
式中:vgL为对数期内的产气量,mL/g;tL为对数期的
发酵天数,d。
  CH4和 CO2是产品气体的主要成分,其体积分
数随发酵时间的变化如图 4所示。由图 4可知:
CH4和 CO2体积分数随发酵时间延长而逐渐上升,
然后分别趋于平衡值 425%和 348%。CH4和
CO2体积分数的平衡值反映了稻草厌氧发酵达到
稳定状态时的各气体成分浓度。然而,由于气体
取样口位于发酵罐的出口处,CH4和 CO2体积分数
的变化不但与发酵反应速率有关,而且还与发酵
罐中液面上方空间的大小、送气管道的直径和长
度等有关。
图4 厌氧发酵中产品气体体积分数的变化(剪切稻草)
Fig.4 Changeofproductgasconcentration
duringanaerobicfermentation
54 第5期 钱 莉等:氨水湿磨对稻草厌氧发酵的促进作用
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  发酵液pH随发酵时间的变化如图5所示。由
图5可知:在厌氧发酵初期,发酵液 pH呈下降趋
势。当发酵液pH降低到55时,采用NaHCO3溶液
将其调整到65。在厌氧发酵进入中期以后,发酵
液pH由65上升到70,并稳定在70。
图5 厌氧发酵中料液pH的变化
Fig.5 ChangeofthebrothpHduring
anaerobicfermentation
  与其他木质纤维素材料同样,稻草在不产甲烷
菌和产甲烷菌的作用下进行厌氧发酵。发酵过程
中发生的化学反应有:1)纤维素的水解反应;2)纤
维素水解产物的酸化反应;3)有机酸的甲烷化反
应[12]。其中,酸化反应会降低发酵液pH,而甲烷化
反应会提高发酵液pH。在68~75的pH范围内,
不产甲烷菌和产甲烷菌的活性达到动态平衡,3个
化学反应顺利进行[1,9]。在稻草厌氧发酵初期,不
产甲烷菌群代谢活跃,产酸多,因此导致了发酵液
pH下降(图 5)。此时,需要对发酵液进行适当的
pH调整。
22 稻草材料大小对厌氧发酵的影响
  图6表示稻草材料大小对平均产气速率和产气
率的影响。由图6可知:在稻草试样中,剪切稻草最
大,水磨稻草最小。剪切稻草的平均产气速率和产
气率分别为7mL/(g·d)、216mL/g。平均产气速率
和产气率均随材料尺寸的减小而显著增加,水磨后
分别达到15mL/(g·d)、350mL/g。
  粉碎水葫芦在发酵液中容易发生结壳现象,从
而妨碍沼气生产[13]。笔者观察了剪切、粗粉碎和湿
磨稻草试样在水中的分布状态。剪切稻草的大部
分浮在水面上,而水磨稻草在水中的分布比较均
匀,没有发生结壳问题。由此可见,对于稻草来说,
减小材料尺寸既可以增加材料表面积,又可以提高
材料在发酵液中的分布均匀性,从而改善稻草厌氧
发酵的反应速率和产气率。
图6 稻草材料大小对平均产气速率和产气率的影响
Fig.6 Efectsofparticlesizeofricestrawon
reactionrateandgasyield
23 湿磨氨水质量分数对厌氧发酵的影响
  湿磨氨水质量分数对平均产气速率和产气率
的影响如图7所示。由图7可知:平均产气速率在
0~02%的氨水质量分数范围内基本保持在 14
mL/(g·d)左右,当氨水质量分数大于02%以后,
随氨水质量分数的增加而下降。产气率在氨水质
量分数从0增加到02%时从350mL/g上升到378
mL/g,而当氨水质量分数大于02%时随氨水质量
分数的增加而下降。
图7 湿磨氨水质量分数对平均产气速率
和产气率的影响
Fig.7 Efectsofammoniaconcentrationinwetmiling
onreactionrateandgasyield
  图8表示稻草试样的保水值随湿磨氨水质量分
数变化。由图8可知:未处理稻草的保水值(干物
基准)为 640%,当湿磨氨水质量分数从 0增加到
03%时,保水值从708%上升到780%。保水值的
大小反映了材料结构的紧密程度。保水值大表明
材料结构松弛,有利于微生物或酶与材料中纤维
素、半纤维素的接触[14]。这就是湿磨稻草厌氧发酵
中产气率增加的原因。同样,玉米秸秆经过碱液湿
磨处理后,木质素含量减少,纤维素晶体结构消失。
当湿磨介质的 NaOH质量分数从 0增加到 10%
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时,预处理玉米秸秆酶解中还原糖收率从202%增
加到467%[8]。然而另一方面,当湿磨氨水质量分
数大于02%时,发酵料液的碳氮比值小于16,不合
适于厌氧发酵。由此可见,预处理中氨水质量分数
的选择必须考虑到原料的成分和发酵料液需要的
碳氮比。
图8 稻草保水值随湿磨氨水质量分数的变化
Fig.8 Changeofwaterretentionvalueofricestraws
withammoniaconcentrationinwetmiling
  通过添加适量的氨水调整发酵料液的碳氮比,
能够提高稻草厌氧发酵的反应速率和产气率。粗
粉碎稻草的厌氧发酵中,无氨水添加时的平均产气
速率为2mL/(g·d),在1000mL的发酵料液中添
加质量分数为28%的氨水3mL后,产气速率提高
到5mL/(g·d)[15]。此外,将稻草分别粉碎至25和
10mm后,在90℃的压力锅中煮2h,按 m(稻草)∶
V(氨水)为1∶229(g/mL)的比例向料液中添加氨
水,采用两相法在35℃的条件下发酵25d,分别得
到产气率460和470mL/g[9]。
  与文献[15]报道的材料预处理和氨水添加方
法相比,笔者提出的氨水湿磨预处理方法具有不需
加热、充分发挥氨水在预处理中对原料的化学作用
等优越性。
3 结论
  1)稻草的厌氧发酵可分为初期、中期和后期3
个阶段。在发酵初期,发酵料液 pH呈下降趋势,需
要适当调整。在发酵中期和后期,发酵料液 pH基
本稳定在65~70。
  2)材料尺寸、湿磨氨水质量分数对反应速率和
产气率均有显著影响。剪切稻草的平均产气速率和
产气率分别为7mL/(g·d)、216mL/g。采用质量分
数为02%的氨水对稻草进行湿磨处理后,平均产气
速率和产气率分别增加到14mL/(g·d)、378mL/g。
  3)氨水湿磨处理大大提高了稻草的保水值。
氨水湿磨处理对稻草厌氧发酵的促进作用主要与
稻草的材料尺寸减小、组织结构松弛和碳氮比增加
有关。
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