以沼气发酵为目标的木质纤维素预处理方法

以沼气发酵为目标的木质纤维素预处理方法王芳;易维明;牛卫生;张德俐【摘要】随着化石燃料的日益减少，生物质能技术已成为热门研究课题，而目前厌氧发酵沼气技术也备受瞩目。木质纤维素原料的预处理作为沼气厌氧发酵的关键步骤，已受到广大学者的重视。为此，结合木质纤维素原料的特殊结构特点，从厌氧发酵制沼气这一角度出发，介绍了一些常见的预处理方法，并且对这些方法的作用机理和存在问题进行了简要论述，使其在不同的环境下更好地得以应用。%Withthedecreasingoffossilfuels,thetechnologyofbiomassenergyhasbeenverypopular,andthetechnolo-gyofanaerobicfermentationforbiogasisalsodrawedmuchattention.Asakeystepforbiogasfermentation,Lignocellulosepretreatmenthasalsoreceivedmuchattention.Thispaperintroducedsomepopularpretreatmentmethodsforbiogasfer-mentationconnectedwiththespecialstructureoflignocellulose.Andinordertomakethesepretreatmentswellmilitatingundervariouscircumstances,themechanismofactionandsomeproblemsofthemwereelaborated.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷)，期】2013(000)011【总页数】6页(P206-210,214)【关键词】沼气;木质纤维素;预处理【作者】王芳;易维明;牛卫生;张德俐【作者单位】山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255049;山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255049;沈阳农业大学工程学院，沈阳110866;山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255049【正文语种】中文【中图分类】TK6;S216.40引言我国是粮食生产大国，同时成为秸秆生产大国，每年秸秆产量约7亿t，列世界之首［1］。但是，每年有大量秸秆由于得不到合理利用，被抛弃在田边沟渠造成面源污染，甚至直接露天焚烧，造成烟雾污染，带来了一系列社会、经济和生态问题［2］。另一方面，近年来化石燃料日趋减少，人们不得不寻找一些可再生能源来应对化石能源即将枯竭带来的危机。所以，目前秸秆的利用开发对中国农村乃至整个国家来讲具有重大意义。秸秆等天然纤维素原料是绿色植物通过光合作用形成的一类可再生能源物质。这类能源物质由纤维素、半纤维素和木质素交织在一起，具有复杂的结构。这种复杂的结构对于纤维素原料的降解有很大的限制作用，成为纤维素原料在沼气厌氧发酵中应用的一大瓶颈。为将纤维素、半纤维素有效地转化为沼气，近些年来研究者已对纤维素原料预处理技术进行了很长时间的研究；但目前尚未明确生物质木质纤维素的哪些特点对应于采取哪种预处理方式是最为有效的。此外，还有一些其他问题，如在发酵过程中产生的一些反作用产物或抑制剂如何解决。许多文献已经阐述过提高生物质木质纤维素消化率的预处理方法。本文的目的是结合生物质木质纤维素的相应特点，找到对应于不同特殊结构的预处理方法，使其得以应用。本文主要解释了生物质木质纤维素的结构成分，总体概括了生物质产生沼气过程，总结了生物质木质纤维素的不同预处理的影响和这些影响在甲烷生产中产生的结果。最后，总结了生物质预处理技术的前景和未来研究的方向。1木质纤维素原料的结构特点木质纤维素原料的主要组成成分是纤维素、半纤维素和木质素，他们排列规则，三者之间相互交织，聚集成束，此外还存在少量的胶质、蛋白质以及矿物质等［3］。这些物质组成了木质纤维素的紧密结构，使其不易被破坏。1.1纤维素纤维素是由D-葡萄糖单元以p-1,4糖苷键连接组成，在常温下不溶于水、稀酸和稀碱。根据植物种类的不同，纤维素的含量一般占木质纤维素原料干重的35%~50%。在一般情况下纤维素是被半纤维素和木质素包裹着［4］。纤维素由有组织结构的结晶区和无组织结构的无定形区组成，呈链状结构，被绑在—起形成原纤维或纤维束。这些原纤维大多独立存在，通过氢键连接在一起。纤维素的无定形区部分的分子排列不整齐，较疏松且较易降解。因此，纤维素结晶区占纤维素整体的比例，即结晶度是影响纤维素降解产沼气的一个重要因素［5］。1.2半纤维素半纤维素具有复杂的碳氢结构，由不同的聚合体构成，如戊糖（木糖、树胶醛糖）和巳糖（甘露糖、葡萄糖、半乳糖）。在阔叶木和农作物中，如草和稻草，半纤维素中占支配地位的物质是木聚糖，而在软木材中是葡甘露聚糖［6］。半纤维素较纤维素分子量低，分支侧链短，侧链由不同的糖组成，这些糖为简单的二聚水分子聚合体。半纤维素是木质素和纤维素纤维的连接体，使整个纤维素-半纤维素-木质素网状结构更加坚硬。半纤维素由于聚合度低，结晶结构少，甚至没有，因此在酸性介质中比纤维素易降解。不同半纤维素混合体溶解度呈现递减次序：甘露醇、木糖、葡萄糖、树胶醛糖和半乳糖。其溶解度随温度的升高而升高，但是由于高分子聚合体的熔点未知，所以其溶解度不能被测量。在180°C的中性条件下，半纤维素混合物发生分解；然而，实际的开始溶解温度可能在150C左右。半纤维素成分的分解率不仅与温度有关，还与其他方面有关，如分子量和pH［5］。1.3木质素木质素是除纤维素半纤维素之外，在自然界和细胞壁中又一大量存在的聚合体。它是芳香族化合物通过不同取代基修饰而形成的三维大分子聚合物，是植物细胞壁的重要组成成分，对植物结构起机械支持和传导水分的作用，并能抵御病虫害以及微生物的入侵［7］。它不溶于水，并且非常不活跃，所有的这些性质都导致了木质素的难降解性。由于木质素的不溶性、固有的化学特性以及结构细节的不确定性，其降解机制很难深刻研究。木质纤维素材料的这种难降解性是其未得到有效利用的主要原因和阻碍纤维素有效利用的最大障碍［8］。就像半纤维素一样，在180C中性条件下，木质素也可以分解［5］。木质素在酸性、中性、碱性的溶解性主要取决于木质素的3种组成单元以及他们的连接方式［9］。天然木质素的分子量分布可以从几百到几百万。天然木质素可以通过机械作用、酶作用或化学试剂的作用引起三维空间立体网状结构的破裂，从而使分子量降低，破坏原来的结构，进而使其更容易降解。2木质纤维素原料与沼气发酵技术木质纤维素原料作为可再生能源物质，是厌氧消化产沼气的重要原料。在我国农村推广秸秆厌氧消化技术可以取得以下综合效益：首先，它可以扩大燃料资源；其次，它可以改变农村传统燃料的燃烧方式，提高热量的有效利用；再次，经过沼气池的发酵，可以提高有机肥料的质量和肥效；最后，它有利于环境卫生，改进生态平衡［10］。2003年国家实施沼气国债项目，大大加快了沼气建设的步伐。截止至2009年底，我国农村户用沼气达3050万户，各类农业废弃物处理沼气工程3.95万处，年产沼气约122亿m3，可代替1851万t标准煤，生产沼肥约3.85亿t,每年可为农民增收节支150亿元［11］。沼气发酵的基本过程是指固态有机物经过发酵变为沼气的过程。发酵过程通常分为水解液化、产酸和产甲烷3个阶段［12］，如图1所示［13］。这3个阶段主要是依靠混合发酵细菌的作用，应用混合微生物的优势在于可以将大部分的产物如戊糖、己糖、挥发性产物甚至有时的抑制性混合物（如糠醛和可溶性木质素混合物）在一段时间转变转化为甲烷。所以，发酵过程受到很多因素的影响，如温度、料液的pH、接种物的浓度和物料的浓度等。图1沼气发酵基本过程示意图木质纤维素原料生产沼气需要3个步骤，即原料预处理，厌氧水解产生沼气和发酵料液的后续处理。生物质的预处理的方式直接影响了木质纤维素原料水解发酵的速率与产气量。生物质预处理主要是通过改变木质纤维素的结构来加快反应速率。3纤维素原料用于沼气发酵的限制因素纤维素原料用于沼气发酵的限制因素主要是限制水解的因素。限制水解的因素中最重要的一个是木质素的难降解性，它像防护罩一样限制了水解的速率与水解的范围，阻碍了底物中可消化物的水解。此外一些研究者已经证明出纤维素的结晶度是其中一^因素，其他因素还包括聚合度、分子的大小、可以用的表面积和木质素含量。在纤维素自身水解的各个因素中，一些学者认为结晶度主要会影响水解酶的作用［14］，进而影响纤维素水解速率；但另一些学者曾提到降低颗粒的大小可以增加可利用的表面积，这比降低其结晶度更有效地提高水解率和水解范围［15］。同时，一些研究者的研究又得出这样的结论，增加物料的疏松度即增加底物孔径可以提高微生物酶的产量，从而进一步提高水解速率16］。去除半纤维素可以提高底物孔径的大小，从而提高了纤维素水解范围。4纤维素原料的预处理方式目前存在的秸秆预处理方法很多，总结起来主要有物理预处理、化学预处理和生物预处理［17］。通过物理、化学以及好氧生物等途径对秸秆进行预处理，都在一定程度上能提高秸秆厌氧消化率和产气量；但这些预处理方法在改善秸秆特性、提高原料消化率和增加产气量的同时也存在一系列问题，各有其不同的局限性［18］。4.1纤维素原料的机械预处理常见的机械预处理方式包括切碎机、双滚压碎机、球磨机等。将生物质木质纤维素进行机械磨损预处理，使纤维素的物理性能发生了明显变化。机械预处理的目的是减小颗粒的大小，增加可接触的表面积，降低纤维素的结晶度，同时也可以使平均结晶度变小。这种机械研磨还可以改变生物质的表皮结构，提高木质纤维素的水解率。木质纤维素水解率的提高程度依赖于生物质的种类、研磨的方法以及研磨时间。此外，机械研磨还缩短了消化时间，即提高了水解速率；但若颗粒大小减小到40目筛以下则对水解率和水解速率都几乎没有影响了［14］。Zhang试验研究发现对稻草进行厌氧发酵，粉碎的稻草比未经处理的稻草产气率提高17%。但实际应用中发现，粉碎预处理效果很有限，因此它常常与化学预处理和生物预处理结合使用，作为化学和生物预处理方式的前处理，以提高整体预处理效果。研磨的处理效果比粉碎的要好得多。这是因为研磨在切碎物料的同时，还通过压榨作用更多地破坏了原料的内部结构。Zhang在对稻草进行厌氧发酵时还发现，在其它因素一样的条件下,研磨的预处理效果明显好于粉碎。在10mm和25mm两种粒径下，通过研磨可以使产气效果比切碎提高17.5%和12.2%［19］。但研磨处理能耗远远高于粉碎，成本也大大增加，因而研磨法预处理目前还很少有报道称将其用于实际沼气工程中。研磨在提高水解率和水解速率的同时，也可以提高甲烷的产量。因为机械预处理不同于其他与处理，它不会产生抑制物，如糠醛和羟甲基糠醛［5］。考虑到研磨需要很高的能量需求，所以研磨可以说不是一种经济合理的预处理方式。4.2纤维素原料的加酸预处理在常温下用酸处理木质纤维素原料可以溶解半纤维素，使得纤维素更容易降解，从而增加原料的厌氧消化率，因为半纤维素在常温下就能很好地溶解在稀酸(0.3%~3%)中［4］。上海交通大学覃国栋等采用不同浓度的酸对水稻秸秆进行预处理，比较来看,酸处理浓度为6%时效果最好,其甲烷含量最高可达44.3%，单位总固体产气率为150mL/g［20］。半纤维素稀酸水解实际上是在溶解状态下进行的，反应主要是在表面进行的，反应相当快。纤维素呈不溶解状态，酸和纤维素接触面积小，反应速度很慢［21］。由于半纤维素溶出，纤维素的酶解率可大大提高。但是另一方面，在酸环境中，半纤维素水解反应可以产生单体分子，如糠醛、羟甲基糠醛和其他一些挥发性产物。挥发性产物可以转化成甲烷，而这些不挥发性物质是不利于纤维素酶解的［22］。对于木质素来说，在酸环境中它会很快的凝结、沉积，这会降低纤维素的消化率。半纤维素和木质素溶解在使用浓酸预处理时较稀酸处理更为明显，但是浓酸具有腐蚀性，对环境产生污染，处理后的浓酸必须回收。虽然酸性预处理可以有效地提高纤维素的水解特性，但是成本偏高，而且在原料发酵前还需要进行中和处理，所以在大规模生产中不能利用。4.3纤维素原料的加碱预处理纤维素碱性预处理常用的试剂有NaOH、Ca(OH)2,NaHCO3等。碱性预处理可以使木质纤维素产生润胀，使其更容易被细菌和酶降解。清华大学蒋建国等采用NaOH，氨水，H2SO4和尿素4种试剂对玉米秸秆进行预处理,研究结果表明NaOH的预处理效果最好［23］。北京化工大学的庞云芝等人利用碱预处理对麦秸进行了厌氧消化试验研究，从处理结果和经济性两方面考虑，得出最佳的处理剂为2%的NaOH［24］。碱性预处理可以引起半纤维素和部分木质素的溶解。半纤维素的去除对于纤维素的降解有积极的影响。然而，与此同时也去除了半纤维素的降解产物，造成木质纤维素消化率的降低。此外，溶解的木质素产生的化合物，如糠醛等，也会对纤维素的水解产生抑制作用［25］。碱性预处理同样可以引起木质素溶解、再分配、沉积，这些变化都将降低木质素的去除和纤维素溶胀的积极影响。碱性预处理虽然有较强的脱木质素和降低结晶度的能力，但同时约有50%的生物质也被其溶解，原料本身耗减严重，造成很大损失［4］。4.4纤维素原料的加热预处理生物质木质纤维素被加热时，如果温度上升到150~1801，半纤维素会首先随温度的升高开始溶解，然后木质素也会开始慢慢溶解。半纤维素中的两大主要组成物质是木聚糖和葡甘露聚糖，其中木聚糖对于热量很不稳定。在180°C以上时，半纤维素开始热反应。在中性溶液里热反应过程中一部分半纤维素水解，形成酸。热处理温度在160C或者更高，除半纤维素溶解外，木质素也会溶解［5］。但木质素在溶解时产生的酚类化合物会抑制发酵细菌以及产甲烷细菌作用，使其发生酸中毒。对于此现象，Laster等人提出，当固体物质浓度大于等于3%、热处理时间在2min内及处理温度在200C或者更高时，这类化合物的形成可以被抑制［26］。但预处理过程中不应采用250C以上的温度，因为木质纤维素原料在这个温度范围会产生热解反应。目前，研究比较多的加热预处理的方式有蒸汽爆破预处理和挤压膨化预处理。气爆法是用高温水蒸气将原料加热至200~240C，维持30s~20min，高温高压造成木质素的软化，并通过迅速减压，造成纤维素晶体纤维束的爆裂是木质素和纤维素分离实现秸秆内部结构的变化，从而进一步提高木质纤维素的降解几率［27］。宋永民与陈洪章利用蒸汽爆破预处理方式对固态发酵在玉米秸秆沼气化中的应用进行研究，秸秆经过蒸汽爆破预处理后，在50C的高温条件下进行固态发酵沼气，甲烷产量达到1382mL/gTS［28］。挤压膨化预处理的工作原理：在工作时，物料经旋转的螺杆连续输送，在运行的过程中，受到螺杆与套筒之间、物料与物料之的摩擦和剪切作用而产生热量，使物料中的水分在很短的时间内变成过热水蒸气，在挤压腔内形成高压，物料在高温高压的作用下产生糊化，然后由机头喷出，形成膨化物。螺杆对物料除了输送之外还兼有搅拌作用，挤压腔内温度略有上升，压力与物料的理化特性基本不变［29］。同济大学的崔启佳等人利用挤压膨化原理提出了一种双螺杆物化组合处理方法用于秸秆的预处理，经试验证实双螺杆物化组合预处理是秸秆沼气原料预处理有潜力的处理手段，同时原料形态的改变符合工程中全混式沼气池对进出料的要求，也改善了发酵池内搅拌时的流态条件［30］。螺旋挤压膨化与蒸汽爆破预处理的机理相似。但用挤压膨化技术对纤维素原料进行预处理不仅可以达到类似于蒸气爆破的效果，而且不需要消耗蒸气，并且有很好的连续生产性。4.5纤维素原料的生物预处理生物预处理是在人为的控制下，利用一些细菌、真菌、放线菌等微生物发酵来处理秸秆等纤维素原料。目前，在自然界中发现，对木质素降解效果最好就是白腐菌。利用白腐菌良好的木质素降解效果对木质纤维素类生物质进行预处理破坏其结构，可缩短厌氧发酵周期，提高甲烷转化效率。杨学伟等人用元素分析法得出，白腐菌降解木质素的过程中而碳含量下降，氧气含量的升高，从而得出白腐菌生物降解木质素的过程是一个氧化反应［31］。白腐菌降解木质素的过程可以分为胞内和胞外两个过程。在细胞内，白腐菌自身能够合成木质素降解所需的各种酶类，其中木质素降解酶系包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶。在细胞外，木质素降解酶作为高效催化剂参与反应，借助自身形成的H2O2，启动一系列的自由基链反应，先形成高活性的酶中间体，将木质素等有机物氧化成许多不同的自由基，从而实现对木质素的生物降解［32］。Ghosh等研究了经白腐真菌Phanerochaetechrysosporium(Pc)和褐腐真菌Polyporusostreiformis(Po)预处理稻草的产沼气性能，发现Pc处理稻草的总产气量和甲烷产量比对照分别提高了34.73%，46.19%［33］。在复合菌剂预处理方面黑龙江八一农垦大学生命学院王伟东等人利用复合菌系BYND-8的种群对秸秆进行了预处理。为了明确在中温下(30°C)高效分解木质纤维素的复合菌系的菌群组成，研究复合菌系预处理秸秆对沼气发酵的影响，利用平板分离法和变性梯度凝胶电泳(DGGE法)研究了中温木质纤维素降解复合菌系BYND-8的菌种组成多样性，通过添加该复合系菌液到以牛粪为原料的沼气发酵体系，研究了添加秸秆降解液对沼气产量的影响［34］。以上试验结果证明：生物预处理可以把木质素分解为小分子化合物，但与此同时半纤维素和纤维素也会被降解成小分子酸类或脂类而被白腐菌直接利用，所以利用生物法进行预处理很对纤维素和半纤维素也有很大程度上的损耗。5结语以上只是目前预处理技术中比较成熟的一些方法，现存的预处理方法还有辐射处理法［35］和臭氧分解预处理法［36］等。近些年来又出现了多种预处理方法相结合的预处理方式；但是这些方法大都在技术、设备、环境的影响和资金耗费上都存在这些不同程度的缺陷，不能完全用于大规模生产实践。木质纤维素预处理技术的发展在—定程度上决定了秸秆在沼气发酵技术中的应用。秸秆沼气技术的发展不但可以解决农村环境问题，也具有一定的经济效益。为秸秆沼气大规模生产以及农村新能源产业的发展，未来木质纤维素原料预处理都应该朝着高效率、低消耗、低污染、低成本的方向发展。【相关文献】［1］李峰，纵瑞收,孙红旗，等.农作物秸秆资源化利用技术与发展方向探讨［J］.农业环境与发展,2011(4):78-81.［2］侯素俭.综合利用秸秆资源发展农村循环经济［J］.农业装备技术,2011,37(2):60.VanDykJS,PletschkeBI.Areviewoflignocellulosebioconversionusingenzymatichydrolysisandsynergisticcooperationbetweenenzymes-factorsaffectingenzymes,conversionandsynergy[J].Biotechnologyadvances,2012，30(6):1458-1480.陈洪章.纤维素生物技术[M].北京:化学工业出版社,2005:8-23.ATWMHendriks,GZeeman.Pretreatmenttoenhancethedigestibilityoflignocellulosicbiomass[J].Bioresourecetechonology,2009,100:10-18.SahaBC.Hemicellulosebioconversion[J].Ind,Microbiol,Biotechnol,2003,30:279-291.ArgyropoulosDS,MenachemSB.Lignin.In:ErikssonK-EL.(Ed.).AdvancesinBiochemicalEngineeringBiotechnology[M].Germany:Springer,1997:127-158.杨晓宸卢雪梅，黄峰.木质纤维素微生物转化机理研究进展[J].纤维素科学与技术,2007,15(1):52-58.GrabberJH.Howdolignincomposition,structure,andcross-linkingaffectdegradability.Areviewofcellwallmodelstudies[J].CropSci.,2005,45:820-831.YuChen,GaiheYang,SandraSweeney,etal.HouseholdbiogasuseinruralChina:Astudyofopportunitiesandconstraints[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2010(14):545-549.王杰,陈建行.农村沼气应用现状调查分析[J].河南农业，2012(3):18-19.宋安东.可再生能源的微生物转化技术[M].北京:科学出版社,2009:23-34.袁振宏，吴创之,马隆龙，等.生物质能利用原理与技术[M].北京:化学工业出版社2005:1-8.ChangVS,HoltzappleMT.Fundamentalfactorsaffectingbomassenzymaticreactivity[J].Appl,Biochem,Biotechnol,2000,84:5-37.Caulfield,D,MooreWE.Effectofvaryingcrystallinityofcelluloseonenzymichydrolysis[J].WoodSci,1974,6(4):375-379.ThompsonDN,ChenHC,GrethleinHE.Comparisonofpretreatmentmethodsonthebasisofavailablesurfacearea[J].Bioresour,Technol,1992,39:155-163.孙然,冷云伟，赵兰，等.秸秆原料预处理方法研究进展[J].江苏农业科学,2010(6):453-455.焦翔翔，靳红燕,王明明.我国秸秆沼气预处理技术的研究及应用进展[J].中国沼气,2011,29(1):29-33.ZhangRuihong,ZhangZhiqin.Biogasficationofricestrawwithananaerobic-phasedsolidsdigestersystem[J].Bioresourecetechonology,1999,68:235-245.覃国栋，刘荣厚，孙辰.酸预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响[J].上海交通大学学报，2011,29(1):58-61.RamosLP.Thechemistryinvolvedinthesteamtreatmentoflignocellulosicmaterials[J].Quim.Nova,2003,26(6):863-871.LiuC,WymanCE.Theeffectofflowrateofcompressedhotwateronxylan,ligninandtotalmassremovalfromcornstover[J].Ind.Eng.Chem,Res,2003,42:5409-5416.蒋建国，赵振振,杜雪娟，等.秸秆高固体厌氧消化预处理实验研究[J].环境科学,2007,28(4):886-890.庞云芝.基于提高麦秸厌氧消化性能的碱预处理方法研究及工程应