酸洗、堆沤预处理对水稻秸秆的纤维素降解影响获奖科研报告

酸洗、堆沤预处理对水稻秸秆的纤维素降解影响获奖科研报告

摘

要：研究不同预处理方法对提高水稻纤维素的降解作用。通过酸洗、堆沤两种方式对水稻秸秆进行预处理，根据测定秸秆纤维素、半纤维素、木质素的含量，发现酸洗及堆沤均有很好的效作用。同时，与纤维素与木质素的降解比较，预处理方法对半纤维的降解效果最好。

关键词：酸洗;堆沤;水稻秸秆;纤维素

ABSTRACT：In

order

to

study

the

effect

of

different

pretreatment

methods

on

the

degradation

of

rice

cellulose，acid

pickling

and

stacking

were

selected

to

pretreat

rice

cellulose.

By

determining

the

content of

cellulose，hemicellulose

and

lignin

in

straw，it

was

found

that

pickling

and

composting

had

good

effects.

At

the

same

time，compared

with

cellulose

and

lignin

degradation，pretreatment

has

the

best

degradation

effect

on

hemi-fibers.

After

pickling.

Key

word：acid

pickling;stacking;rice

straw;cellulose

引言

2017年我国水稻种植面积达30747千顷[1]，具有巨大的应用潜力。水稻秸秆主要由植物细胞壁组成，未经处理的天然状态的木质生物资源的酶解率小于20%[2]，為实现秸秆低成本生物量全利用，需通过有效的预处理和组分分离手段将稻草原料中的纤维素、半纤维素和木质素等分离并分别加工成有价值的产品。常见的是蒸汽爆破法、稀酸处理法、湿氧化法和生物处理法[3]。理想的秸秆组分分离方法应满足以下几个条件[4]：（1）有利于提高秸秆水解产糖率，或有利于提高微生物水解酶后糖的产量;（2）减少秸秆水解过程中有机物进一步降解造成碳的流失;（3）避免或减少抑制性物质产生，对之后的水解发酵过程中微生物的活性产生毒害作用;（4）在经济上切实可行。稀酸将木质纤维素原料中的半纤维素成分部分溶解，可使原料结构疏松

[5]。堆沤处理可使可溶性有机物被微生物吸收，固体和胶体有机物则由微生物胞外酶分解为可溶性物质[6]，具有以下优点[7]：①堆沤预处理时发酵性细菌大量生长繁殖，能富集菌种。②堆沤腐熟后原料可缓解酸化作用，有利于酸化和产甲烷的平衡。③堆沤后，纤维素变松散，扩大纤维素分解菌和纤维素的接触面积，大大加快纤维素的分解速度，加快沼气发酵过程的进行。

本次实验采取酸洗及堆沤对秸秆进行预处理，研究其对水稻秸秆中组分的降解能力。

1

材料与方法

1.1实验仪器

微型植物粉碎机（天津泰斯特仪器公司）;DELTA320pH计（梅特勒-托列多仪器（上海）有限公司）;SHY-2型恒温水浴振荡器;FA2004N电子天平;1810-B型石英自动双重纯水蒸馏器;PHS-3B精密pH计;恒温振荡器;2XZ-2型旋片式真空泵、马弗炉。

1.2

实验材料

稻草取自合肥郊区农田，分别经机械破碎至60目，实验前于干燥箱105

℃下烘干至恒重备用。

实验中污泥取自安徽省合肥市王小郢污水处理厂的回流井。实验前室温下静置24

h，污泥总固体（TS）为12.32

g·L

-

1、挥发性固体（VS）为10.96

g·L

-1。

1.3实验方法

本研究根据实验室的条件和参考唐锘酸洗预处理方法[8]，试验方法如下：

先将秸秆粉碎，过60目筛，用0.7%硫酸按固液比为1：12（g/mL）浸泡1h后，自来水反复冲洗直至pH值接近7，于105℃烘干至恒重备用。

取一定量来自合肥郊区农田的秸秆，剪成2-3

cm，加入100

mL污泥、6L自来水，堆浸10d后，于105℃烘干后粉碎过60目筛，测定其纤维素、半纤维素及木质素含量。

1.4

测试项目与方法

实验中间歇用pH计测定pH值，对预处理前后的稻草测定其纤维素、半纤维素和木质素含量。纤维素、半纤维素、木质素的测定方法参照王玉万的《木质纤维素固体基质发酵物中半纤维素、纤维素和木质素的定量分析程序》[9]。首先用2M盐酸水解法水解半纤维素，用地衣酚比色法进行定糖测定半纤维素含量[10]，乘上换算系数0.9则为半纤维素的量。测定纤维素时，用72%硫酸法水解2M盐酸水解后剩下的稀酸不溶性残渣，之后用蒽酮试剂定糖[5]，乘上换算系数0.9则为纤维素的量。所剩残渣经马弗炉灰化后差重即为木质素含量。具体步骤如图2-1所示。

（1）试剂

2M盐酸溶液：167mL浓盐酸（比重1.19）用蒸馏水稀释直1000mL。

72%硫酸溶液：665mLH2SO4（比重1.84）加入300mL水中，冷却至20℃，补加水定溶至1000mL。

地衣酚试剂：0.1gFeCl3溶于100mL37%的浓硫酸中，再加入0.2g地衣酚，临用现配。

蒽酮试剂：0.2g蒽酮溶于100

mL浓硫酸（分析纯，比重1.84）中，临用现配。

（2）标准曲线的绘制

葡萄糖（纤维素）标准曲线绘制：取6支试管，加入不同浓度的葡萄糖标准溶液，然后加入蒽酮试剂4

mL，迅速浸入冰水浴中冷却，再一起浸入沸水浴中，从水重新沸腾时开始计时10

min，然后取出，流水冷却后用1

cm

比色皿，在波长620

nm范围测定吸光度。

戊糖（半纤维素）标准曲线绘制：取6支试管，加入不同浓度的戊糖标准溶液，然后加入地衣酚试剂4

mL，混匀后，盖上盖，在沸水中加热20

min，冷却后用1

cm

比色皿，在波长660

nm范围测定吸光度。

2结果与分析

2.1酸洗处理实验结果

经过酸洗预处理后，测得酸洗后稻草中纤维素、半纤维素、木质素含量如表2-1。未经过酸洗的稻草秸秆中纤维素、半纤维素、木质素的含量（质量分数）分别为34.06%，24.23%和11.57%，而经过稀酸预处理后，各组分的降解效果较好，纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为27.1%、11.75%、9.81%。

酸洗后，秸秆的各组分得到很好的降解，尤其是半纤维素。纤维素、半纤维素和木质素的含量分别下降了6.96%、12.48%和1.76%。纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为20.4%、51.5%、15.2%，半纤维素的降解率最高，其次是纤维素和木质素。说明稀酸对稻草秸秆的预处理能够有效的降解半纤维的含量。因为木质素是秸秆组织最外面一层组织，也是最难以被微生物破坏和降解的，但在稀硫酸的作用下，半纤维素与木质素间的共价键、纤维素的结晶结构遭到破坏，消除了木质与纤维素的联结，糖苷键、酯键等发生水解，导致秸秆纤维的网状结构疏松，在酸水解进行的过程中，纤维素和半纤维素的损失也会增加，造成大量生物量流失。预处理可以促进后来的厌氧发酵实验，能较快启动实验。

2.2堆沤处理实验结果

经过堆沤处理前后的稻草中纤维素、半纤维素、木质素含量如表2-1。经过堆沤预处理对稻草中各组分的降解效果较好，纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为28.76%、17.13%、9.74%。堆沤后，秸秆的各组分得到不同程度的降解，其中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别下降了5.3%、7.1%和1.83%.其纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到15.56%、29.30%、15.82%。预处理对半纤维素的降解效果最好，而对纤维素的破坏较小。可以得出结论：堆沤处理能有效地降低木质素和半纤维素对纤维素的包裹作用，释放出纤维素，以促进后续的厌氧发酵产气。

2.3实验分析

从两种预处理后的稻草秸秆的纤维素、半纤维素和木质素含量的降解来看，发现酸洗处理比堆沤处理节约时间，但是不利于后续的厌氧生物发酵。因为堆沤处理时，发酵性细菌大量生长繁殖，能富集菌种，能够快速启动发酵。

3

结论与讨论

（1