离子液体-盐双水相萃取技术的研究进展(完整版)实用资料

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113离子液体/盐双水相萃取技术的研究进展离子液体_盐双水相萃取技术的研究进展（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）刘培元,王国平(华侨大学材料科学与工程学院,福建泉州362021摘要:离子液体/盐双水相萃取技术是一种新型的双水相萃取技术。它具有传统双水相萃取技术所不具备的诸多优点。本文介绍了离子液体/盐双水相体系的类型和特点,综述了离子液体/盐双水相萃取技术在生物分离、天然有机物的提取、有毒物质处理中的应用,指出了该技术目前存在的问题并提出今后发展的展望。关键词:离子液体/盐双水相;萃取;分离;应用双水相萃取技术是提取和纯化生物活性物质的新型分离方法之一。双水相系统(ATPS实质是把两种聚合物或一种聚合物(或亲水有机溶剂与一种盐的水溶液混合在一起,在水中以适当的浓度溶解后形成的互不相溶的两相。双水相技术操作条件温和,可连续操作,易于放大,愈来愈受到人们的关注[1-3]。然而该技术还存在一些技术难题,如易乳化,相分离时间长,成相聚合物的成本较高,大多数的水溶性高聚物粘度较大而不易定量控制,高聚物回收困难等[4]。双水相体系的主要类型有:高聚物/高聚物、高聚物/无机盐、亲水有机物/盐体系。近年来双水相技术又有了新的发展,出现了离子液体/盐双水相体系。离子液体,是指由离子组成的在室温时呈液态的液体,一般由有机阳离子和无机阴离子组成。离子液体几乎没有蒸汽压、不挥发、无色、无味;有较宽的稳定温度范围,较好的化学稳定性;通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性,并且其酸度可调至超酸;改变阴阳离子组成,可以合成不同性质的离子液体,被称为“设计者溶剂”,是一种新型的绿色溶剂[4-6]。Rogers等采用亲水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑盐酸盐([Bmim]Cl和磷酸钾(K3PO4首次形成了上相富含离子液体和下相富含磷酸钾的离子液体/盐双水相体系[7]。该双水相体系是由一种有机盐(亲水性离子液体和一种无机盐(磷酸盐形成,不同于传统意义的双水相体系。由于离子液体具有一系列的优点,所以离子液体/盐双水相萃取技术也具备了传统双水相萃取技术所没有的一些优点,如离子液体可循环使用,可控制乳化,产物的易分离等。这些优点使得离子液体/盐双水相的实际应用更具现实可能性,有望开辟萃取技术应用的新途径。1离子液体/盐双水相萃取体系的类型离子液体/盐双水相体系的类型可根据离子液体的类型来划分。离子液体的种类繁多,大体上有机阳离子主要有四类:烷基取代的咪唑阳离子,包括N,N’一二烷基取代的[RR’Im]+离子和2或4位亦被取代的[RR’R”Im]+离子;烷基取代的吡啶离子[RPy]+;烷基季胺离子[NRXH4-X]+;烷基季磷离子[PRxH4-X]+。图1是几种阳离子的结构示意图。化学工程与装备ChemicalEngineering&Equipment2021年第3期2021年3月114刘培元:离子液体/盐双水相萃取技术的研究进展图1.几种常见的室温离子液体的阳离子结构示意图阴离子可以是A1C14-、BF4-、PF6-、CF3COO-、CF3S03-、(CF3SO22N-、SbF6-等有机离子和配合物离子,有些情况下也可以是Cl-、Br-、I-、NO3-、ClO4-等简单无机离子。选择阴离子时要注意两点:①AlCl4-对水极其敏感,有时会要求在真空或惰性气体保护下处理和使用,由于它遇水会放出HCl气体,所以这类离子液体在使用时对皮肤会有一定的刺激性;②以NO3-和ClO4-为负离子时要小心它们具有的爆炸性[8]。据报道的文献表明,目前研究的离子液体/盐双水相体系的类型主要集中于咪唑类和吡啶类的离子液体。表1是目前报道的离子液体/盐双水相体系的主要类型。表1目前报道的离子液体/盐双水相体系的主要类型成相离子液体分子式成相无机盐1-丁基-3-甲基咪唑盐酸盐[Bmim]Cl氢氧化钠[12]、磷酸氢二钠[7]氢氧化钾[7]、碳酸钾[7]、磷酸钾[7]、磷酸氢二钾[10]、硫代硫酸钠[7]1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[Bmim]BF4碳酸钠[9]、磷酸二氢钠[13]1-丁基-3-甲基咪唑磷酸盐[Bmim]PO4氯化钾[7]1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐[Bmim]NO3[9]氢氧化钠1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[Omim]BF4[11]磷酸二氢钠和蚁酸、硼砂和盐酸N-正丁基吡啶四氟硼酸盐[BPy]BF4[9]碳酸钠由于离子液体/盐双水相体系的研究尚处于初步阶段,对其体系类型的分类尚无较系统的表示,只能简单的列出。从上表可看出对咪唑类的离子液体/盐双水相体系的研究占了绝大多数,而且在成相无机盐方面也有较多的选择。2离子液体/盐双水相体系的特点离子液体/盐双水相有传统双水相所共有的特点,同时它具有一些传统双水相没有的优点,这使其在分离和纯化方面表现出更大的优势[13-14]。(1体系易于放大,各种参数可以按比例放大而产物的回收率并不降低,这点对于工业应用尤为有利;(2体系内传质和平衡速度快,回收率高,可达到90%以上,比起其它的一些分离过程,其能耗小;(3体系的相间张力大大低于有机溶剂与水115刘培元:离子液体/盐双水相萃取技术的研究进展的相间张力,分离条件温和,因而能保持绝大部分生物分子的活性;(4操作条件温和,整个过程可在常温常压下进行;(5离子液体的蒸汽压几乎为零,不会出现像有机溶剂那样因挥发而引起环境问题;(6与传统的高聚物双水相相比,可更好的控制乳化现象。3离子液体/盐双水相技术的应用3.1生物工程技术中物质的分离和纯化21世纪是生物工程技术占主导地位的时代,而生化分离是生物工程技术转化为生产力过程中必不可少的重要环节。由于生物工程技术(特别是细胞工程、基因工程、蛋白质工程等产品的特殊性,要求分离技术既要具有较高的分离效率又不影响产品的生物活性。因此,近年来随着生物工程技术的飞速发展,出现了许多新的分离技术,双水相体系萃取技术就是其中一种高效而温和的生物分离新技术。离子液体/盐双水相萃取分离技术应用于大分子生物质的分离,如蛋白质等;对小分子生物质,如抗生素等都可以得到较理想的分配效果[15]。邓凡政等也利用[Bmim]BF4和NaH2PO4形成的双水相体系对牛血清白蛋白(BSA进行萃取研究。得出萃取的最佳条件是:NaH2PO4的浓度为80g/L、离子液体浓度160~240ml/L、BSA的浓度30~50mg/L、溶液酸度在pH4~8,萃取率可达99%以上[14]。Du等利用[Bmim]Cl/K2HPO4双水相萃取系统第一次从人体体液中直接萃取蛋白质,结果表明对微量水平的蛋白质其分配系数可以达到10,富集因子为5。在上相中加入适量的K2HPO4促使进一步的相分离,这可以将富集因子提高到20。利用傅里叶红外光谱仪和紫外分光光度计测得离子液体和蛋白质之间不存在化学键,因此蛋白质的本质没有变化[16]。MariaJoseRuiz-Angel等做了完整的[Bmim]Cl/K2HPO4双水相相图,并研究该系统在逆流色谱中的应用。采用hydrostaticSanki和Jtypehydrodynamic两种逆流色谱柱,富含[Bmim]Cl的上相作为固定相,富含K2HPO4的下相作为流动相,并与PEG1000/K2HPO4和PEG10000/K2HPO4双水相在逆流色谱中的应用作了比较。结果表明两种双水相的性质完全不同:富含[Bmim]Cl的上相比富含PEG的上相的密度低的多,这使得富含[Bmim]Cl的水相比富含PEG的水相在逆流色谱内的保留率较大;富含[Bmim]Cl的上相比富含PEG的上相的极性小的多,因此蛋白质和醇在[Bmim]Cl/K2HPO4双水相系统中的分配系数更大,例如卵白蛋白在PEG1000/K2HPO4双水相的分配系数为1.4而在[Bmim]Cl/K2HPO4双水相的分配系数达到180[17]。刘庆芬等以[Bmim]BF4和NaH2PO4·2H2O水溶液形成的双水相体系为研究对象,考察了影响双水相形成的因素以及对青霉素G的萃取特性,萃取率可达93.7%。萃取率受成相盐浓度、初始青霉素浓度以及离子液体浓度的影响。青霉素浓度50000u/mL时,萃取的最佳参数为NaH2PO4·2H2O36%~38%(质量分数、、离子液体40%~45%(体积分数。离子液体双水相体系萃取青霉素的pH值在4~5之间,为弱酸性,青霉素降解率降低,萃取收率提高。萃取过程不发生乳化现象,有利于两相分离。证实了离子液体双水相萃取青霉素是一项高效分离青霉素的新技术[13]。Jiang等在[Bmim]BF4/NaH2PO4双水相萃取发酵液中青霉素G的基础上,往含有青霉素的离子液体相中加入疏水的[Bmim]PF6离子液体,形成混合离子液体/水两相系统。在该系统水相pH=5时,加入青霉素酰化酶水解青霉素,副产品苯乙酸(PAA存于混合离子液体相,而目标产物6-氨基青霉烷酸(6-APA则在该pH下沉淀下来从而分离得到。与利用醋酸丁酯/水两相系统在pH=4水解青霉素相比有两个优点:(1,在最佳pH=5时,通过改变[Bmim]PF6/[Bmim]BF4的摩尔比,对苯乙酸和青霉素有更好的选择性;(2pH较大有利于青霉素酰化酶的活性和稳定性。操作的流程如图2[18]。116刘培元:离子液体/盐双水相萃取技术的研究进展图2.提取青霉素及其水解的流程图AnaSoto等用[Omim][BF4]提取抗生素:羟氨苄青霉素和氨苄青霉素。考察了在不同pH(pH=4,8(即在不同缓冲液下的萃取效果及分配系数。结果表明:pH较大时分配系数较大,这说明了抗生素的化学结构影响其在富含离子液体相的溶解度,同时成功地采用NRTL模型对[Omim][BF4]双水相体系进行了关联[11]。3.2天然有机物的提取及纯化天然有机物质中有效特定成分的分离提取一直存有很大的困难。传统的提取分离技术如溶剂浸提法、回流法、渗滤法等,存在产品回收率小,纯度低,且成本高的问题。因此就资源的有效利用而言,研究开发出高收率、低成本、操作安全的新型分离技术显得极为重要。李社红、何池洋等用[Bmim]Cl/K2HPO4双水相系统对鸦片生物碱中的可待因和罂粟碱进行预处理,以便处理后的物质再用高性能液体色谱进行分离。考察了不同盐(KOH、K2CO3、K3PO4、K2HPO4与[Bmim]Cl构成的双水相液中的激素进行了萃取、分离。同时还比较了不同的离子液体的量、盐的量和温度对萃取效率的影响,又对实验的线性、再现性、灵敏度进行了检验。结论表明:不同盐双水相系统的分相能力的顺序如下:K2CO3≈K3PO4≈K2HPO4﹥KOH,最后取K2HPO4作为研究对象。综合考虑萃取效率、产物的浓缩和原料的用量等因素,在5ml罂粟碱溶液(100u/ml中,加入3.8gK2HPO4和0.2g的[Bmim]Cl为最佳条件,萃取分离效率在80%以上[12]。另外,他们还用([Bmim]Cl/K2HPO4双水相系统来分离人类尿样中的睾丸激素(T和表睾(甾酮(MT。结果表明:3mL尿液中,加入0.2gIL和3.4gK2HPO4,所形成双水相系统对睾丸激素和表睾(甾酮的萃取分离效率可达到80%~90%[10]。邓凡政等采用([Bmim]BF4/NaH2PO4双水相体系萃取分离苋菜红。研究了盐的浓度、离子液体浓度、溶液酸度、其它共存物质对苋菜红萃取率的影响。结果表明,NaH2PO4加入量在2~2.5g,离子液量在1.0~2.0mL,苋菜红溶液量在1.5mL,溶液酸度在pH4~6范围,离子液体双水相体系对苋菜红有较高的萃取率大于90%[19]。他们后来还将该双水相萃取体系应用于芦丁的萃取分离研究,考察了离子液体用量、芦丁的浓度、盐的加入量、溶液酸度和加入其它物质对芦丁在两相中分配的影响。结果表明:1.0~2.5mL的离子液体和1.0~2.0g的磷酸二氢钠加入到0.5~2.5mL的卢丁溶液中,调节pH值在2~7范围内,卢丁在离子液体双水相体系中有较高的萃取率超过90%[20]。3.3在处理有毒物质中的应用117刘培元:离子液体/盐双水相萃取技术的研究进展随着全球化环境污染的日益加剧,人类的发展受到前所未有的威胁。对环境污染物进行有效的处理已迫在眉睫,然而一些排量多、危险性大的污染物的处理更是难上加难,主要因为这些污染物难于从排污废物中有效的分离出来。因此对于这些排量多、危险性大的污染物而言,开发安全、有效的分离是相当有必要的。Rogers等利用[C4mim]Cl与K3PO4构成的双水相系统,结合盐析技术从裂变反应产生的废物中分离出99TcO4-有毒物质,实验表明当水溶液中K3PO4的越大时有利于99TcO4-的提取分离。这种双水相萃取分离取得了较好的效果,并且安全性高[21]。4离子液体/盐双水相体系的热力学研究离子液体/盐双水相体系的热力学研究包括:体系分相机理的研究、体系液液相平衡的研究、相平衡数据的测定、关联及预测等。夏寒松等研究了离子液体/盐双水相的成相规律,分别考察了不同盐、离子液体阴离子、离子液体头部、离子液体侧链、温度对成相规律的影响。结果表明,减小离子液体头部极性、增长疏水侧链及采用疏水性阴离子都有利于双水相形成,这三种因素是内在关联的,但改变阴离子对双水相相行为的影响更明显。升高温度会阻碍短链离子液体双水相的形成,但却促进长链离子液体形成双水相[22]。刘丙燕对离子液体[Bmim]BF4/[Bmim]Cl—H2O—Na2CO3两个双水相体系分相机理及影响分相能力的因素进行了研究。结果表明这两个体系在某个区域内都能够形成较为温和的萃取体系,可用于生物活性物质的分离和提纯。并采用Othmer-Tobias经验方程+溶解度方程法对30℃和40℃下的H2O-[Bmim]Cl/[Bmim]BF4-Na2CO3体系液液相平衡数据进行关联,计算结构表明,关联最大相对误差为4.52%,最大平均相对误差为2.77%,关联精度较高,该方法可适用于有一组分含量较低的体系的液液相平衡的关联计算[23]。AnaSoto[11]成功地采用NRTL模型对[OMIM][BF4]双水相体系的交互作用系数进行了关联。此外,Zhang等首次对[Bmim]BF4-果糖-H2O双水相进行了相平衡研究,结果表明该双水相体系可在较宽的成相范围,且当果糖含量在3-40%时体系随温度有明显的变化。体系的双节线可用五参数方程关联,相平衡用Othmer–Tobias方程和Bancroftcorrelations方程进行关联,相关系数都超过0.99[24]。目前对离子液体/盐双水相体系的热力学研究还处于初级阶段,还没有形成系统理论,这使得离子液体/盐双水相萃取技术的应用缺乏必要的理论指导。5离子液体/盐双水相技术的局限和展望离子液体/盐双水相萃取技术是双水相萃取技术一个新的分支,它具有传统双水相技术所不具备的诸多优点,如分离效率高、可控制乳化、可回收离子液体等。但是作为一种新开发的分离技术,离子液体/盐双水相萃取技术也必然存在许多不足,如离子液体双水相的研究主要偏向于萃取分离的效果,而对其成相机理研究不够、数据不足,因此在离子液体双水相体系研究应用时缺乏理论基础;所研究的离子液体种类并不是很多,主要偏于咪唑类和吡啶类的离子液体,但是唑唑类和吡啶类的离子液体相对昂贵;对使用后离子液体回收的研究也相对缺乏,这给离子液体双水相在工业上的应用带来很大的局限性。可以肯定,随着离子液体研究的更加成熟,将必然带动离子液体/盐双水相技术的发展。目前亟需做的工作主要有以下几个方面:廉价的离子液体/双水相体系开发;离子液体/盐双水相成相机理的研究;热力学、动力学模型的建立及离子液体回收的研究等。当这些问题最终解决时,离子液体/盐双水相技术的应用领域将进一步拓宽,并能更好的应用于工业中。参考文献[1]AlbertssonPA.PartitionofCellParticlesandMacromolecules[M].3rdEd.,NewYork:Wiley-Interscience,1986[2]MariaTacianaHolandaCavalcanti,TatianaSouzaPorto,BeniciodeBarrosNeto,JoséLuizLima-Filho,AnaLúciaFigueiredoPortoandAdalbertoPessoa,Jr.Aqueoustwo-phasesystemsextractionofα-toxinfromClostridiumperfringenstypeA[J].J.Chromatogr.B,2006,833(2:135-140.[3]霍清,林强,赵玉娥.利用双水相乙醇-磷酸氢二钾体系萃取甘草有效成分的研究[J].精细化工,2002,19(2:65-67[4]ChenJ,LiuHZ,WangB,etal.Applicationofspontaneoussuctionphase—dispersing(SSPD118刘培元：离子液体/盐双水相萃取技术的研究进展extractorsintheextractionofpenicillinG[J].ApplBiochemBiotechnol,2002,97:660-671[5]SeddonKR.Ionicliquidsforcleantechnology[J].ChemTechBiotechnol,1997,68:351-356[6]WilkesJS,ZaworotkoMJ.Airandwaterstable1-ethyl-3-methyllimidazoliumbasedionicliquid[J].ChemSocChemCommun,1992,13:965-967[7]GutowskiEK,BrokerAG,RogersDR,etal.Controllingtheaqueousmiscibilityofionicliquids:Aqueousbiphasicsystemsofwater-miscibleionicliquidsandwater-structuringsaltsforrecycle,metathesis,andseparations[J].JAmChemSoc,2003,125:6632-6633[8]李汝雄,王建基.离子液体的合成与应用[J].化学试剂,2001,23(4:211-215[9]刘术军,离子液体—盐—水新型双水相体系的液液相平衡及其应用[D].辽宁大学硕士学位论文,2005-5[10]HeC,LiS,LiuH,etal.Extractionoftestosteroneandepitestosteroneinhumanurineusingaqueoustwo-phasesystemsofionicliquidandsalt[J].Chromatogr.A,2005,1082:143-149.[11]AnaSoto,AlbertoArce,MohammadK.Khoshkbarchi,Partitioningofantibioticsinatwo-liquidphasesystemformedbywaterandaroomtemperatureionicliquid.Separat.Technol.2005,44:242-246[12]S.H.Li,C.Y.He,H.W.Liu,K.A.Li,F.Liu.Ionicliquid-basedaqueoustwo-phasesystem,asamplepretreatmentprocedurepriortohigh-performanceliquidchromatographyofopiumlkaloids[J].Chromatogr.B,2005,826:58-62[13]刘庆芬,胡雪生,杨屏等.离子液体双水相萃取分离青霉素[J].科学通报,2005,50(8:756-759[14]邓凡政等.离子液体双水相体系萃取分离牛血清百蛋白[J].分析化学,2006,34(10:1451-1453[15]巴晓革,林锦兴,邱召法.新型绿色分离体系——离子液体双水相及其在生物分离中的应用[J].化学世界,2007,4:240-252[16]ZhuoDu,Yong-LiangYu,andJian-HuaWang.Extractionofproteinsfrombiologicalfluidsbyuseofanionicliquid/aqueoustwo-phasesystem[J].Chem.Eur.J.2007,13,2130-2137[17]MariaJoseRuiz-Angel,VeronicaPino,SamuelCarda-Broch,AlainBerthod.Solventsystemsforcountercurrenthromatography:Anaqueoustwophaseliquidsystembasedonaroomtemperatureionicliquid[J].Chromatogr.A,2007,1151,65-73[18]YangyangJiang,HansongXia,ChenGuo,IramMahmood,andHuizhouLiu.EnzymaticHydrolysisofPenicillininMixedIonicLiquids/WaterTwo-PhaseSystem[J].Biotechnol.Prog.2007,23,829-835[19]邓凡政,郭东方.离子液体双水相萃取分离苋菜红的研究[J].分析实验室,2007,26(6:15-17[20]邓凡政,郭东方.芦丁在离子液体双水相中分配性能[J].应用化学,2007,24(7:838-840[21]RobinD.Rogers,etal.Aqueousbiphasicsystemsbasedonsalting-outpolyethyleneglycolorionicliquidsolutions:strategiesforactinideorfissionproductseparation.PreprintsofExtendedAbstractspresentedattheACSNationalMeeting,AmericanChemicalSociety,DivisionofEnvironmentalChemistry2004,44,403-407[22]夏寒松等.离子液体相行为(Ⅱ双水相的成相规律[J].化学学报,2006,57(9:2149-2151[23]刘丙燕等.[Bmim]BF4-H2O-NaCO3离子液体双水相体系液叶相平衡数据的测定与关联[J].化工学报,2007,58(8:1885-1890[24]YanqiangZhang,SuojiangZhang,YuhuanChen,JianminZhang.Aqueousbiphasicsystemscomposedofionicliquidandfructose[J].FluidPhaseEquilibria,2007,257:173-176（下转第107页）王鑫：160ph全液压推土机匹配参数设计方法107ns≤npHpH液压泵的转速均能够满足转速要求。(11同时应根据泵的供油量重新校核马达的实际转速（由前向后），因为以上选定的泵排量通常大于要求排量，马达实际转速会比要求转速略高。对于变量马达，应同时确保最大排量和最小排量两种工况下的使用转速均不超过其标定值。5160ph全液压推土机的行驶液压系统合理匹配参数根据以上所述，采用图3所示的发动机，我们设计了160ph全液压推土机，具体参数如表所示：表160ph全液压推土机合理匹配参数发动机转速1900r/min分动箱速比0.763液压泵90ml/r液压马达140ml/r终减速72.530.435m驱动半径据此参数试制样机通过现场试验，性能能够达到预期要求。（上接第118页）6结论本文主要研究了全液压推土机的匹配问题，结合前期成果，得到了以下几点结论：（1）本文总结了全液压推土机的设计方法，并罗列了相关设计参数。（2）选择了用液压泵截止压力匹配最大切线牵引力行驶液压驱动系统匹配方法，此种匹配下的额定压力会稍高于按照元件降额匹配原则确定的额定压力，但更能适应全液压推土机的实际情况，充分发挥液压元件的能力。（3）通过液压驱动系统和牵引力的分析，确定了160ph全液压推土机的工作重量为18200kg，最大切线牵引力为264kN。（4）按照角功率法，给出了全液推土机行驶液压驱动系统的匹配计算方法，依据此算法，计算了160ph全液压推土机行驶液压驱动系统的匹配参数。参考文献[1]顾海荣.160ph全液压推土机匹配参数研究.长安大学硕士论文.2005：4[2]刘正富.全液压推土机关键技术参数研究.长安大学硕士论文.2004：4[3]姚怀新.行走机械液压传动与控制.人民交通出版社，2002：2TheResearchdevelopmentofIonicliquids/saltaqueoustwo-phaseextractiontechnique.Pei-yuanLiu,Guo-pingWang(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,Quanzhou362021,Fujian,ChinaAbstract:Ionicliquids/saltaqueoustwo-phasesystemsisanovelaqueoustwo-phaseextractiontechnique.Aqueoustwo-phasesystembasedionicliquidshavesomeuniqueadvantagesthantraditional.Thisreviewsummarizestheapplicationsofionicliquids/saltaqueoustwo-phasesystemsinbiochemicalindustry,separationofnaturalorganics,removaloftoxicant.Theshortagesofthetechniquewerepointedoutandtheprospectsinfuturewereindicated.Keywords:Ionicliquids/saltaqueoustwo-phasesystem;extraction;separation;applications收稿日期:2021-07-07项目来源:中国农业科学院项目(0032021031作者简介:李强(1981-,男,研究实习员,主要从事农业固体废弃物处理研究。,沼气干发酵技术研究进展李强1,曲浩丽2,承磊1,张云飞1,贺静1,陈永生2,尹小波1(1.农业部沼气科学研究所农业部能源微生物与利用重点开放实验室,成都610041;2.农业部南京农业机械化研究所,南京210014摘要:开发和利用沼气干发酵技术处理农业废弃物、禽畜粪便和市政垃圾,对于解决能源短缺、生态环境恶化和减少CO2排放具有深远的意义。本文对国内外沼气干发酵的研究现状、工艺条件及技术装备等方面进行了综述。关键词:沼气;干发酵;固体有机废弃物中图分类号:S216.4文献标识码:A文章编号:1000-1166(202105-0010-05ResearchProgressonBiogasDryFermentation/LIQiang1,QUHao-li2,CHENGLei1,ZHANGYun-fei1,HEJing1,CHENYong-sheng2,YINXiao-bo1/(1.KeyLaboratoryofEnergyMicrobiologyandApplication,Cheng-du610041,China;2.NanjingResearchInstituteForAgriculturalMechanizationMinistryofAgriculture,Nanjing210014,ChinaAbstract:Exploitingandutilizingofbiogasdryfermentationtreatingruralwaste,livestockwasteandmunicipalwastehasprofoundsignificanceinsolvingthefuelshortages,environmentaldeteriorationandgreenhousegasemissions.Inthispaper,theresearchstatusofbiogasdryfermentation,processconditionsandtechnicalequipmentwerereviewed.Keywords:dryfermentation;solidwaste;biogas1引言在能源短缺、全球变暖、生态环境恶化的大背景下,节能减排、高效利用资源和发展新能源成为全世界的当务之急。据统计,我国已成为世界上固体有机废弃物产出量最大的国家,其中农作物秸秆年产量达7亿多吨,可供青贮的茎叶等鲜料约10亿吨,锯末、刨花等林业废弃物1.6万吨,畜禽粪便排放量134亿吨,城市垃圾7万吨以上。随着工农业生产的迅速发展和人口的增加,这些废弃物以年均5%～10%的速度递增[1]。有机固体废弃物的处置不当,不仅造成了资源的浪费,同时也污染了自然环境。农作物秸秆、畜禽粪便和城市生活垃圾蕴藏着可以被利用的巨大能量。在众多固体有机废弃物资源化利用的技术中,沼气干发酵技术是国内外研究的热点和重点发展方向之一,本文将对国内外沼气干发酵的研究和应用技术做一些综述。2沼气干发酵研究概况我国干法发酵技术应用源远流长,自古以来我国就采用干法发酵工艺酿酒、生产堆肥。国内对沼气干发酵技术的研究起步于上世纪80年代,在1988年缪则学[3]等人就将沼气干发酵技术应用于畜禽粪便的发酵,研究了适宜于吉林省农村温暖季节应用的干发酵工艺。边文骅[4]等设计了横蓖板水压式干发酵沼气池并将其应用。叶森[5]等人从1986年开始研究自动排料沼气干发酵装置和相应的半连续发酵工艺,并于1988年通过了相关部门的技术鉴定。李秀金[6]等人提出了采用NaOH处理改善玉米秸秆的可生物消化性能。随着沼气干法发酵技术研究的成熟,规模化的沼气干法发酵工程应用技术的研发已成为发展的主流,韩捷[7]等人近年来研发了一种MCT沼气干发酵技术及装备。国外对沼气干法发酵的研究主要集中于城市垃圾的处理[8],德国、法国、丹麦等国家技术发达国家早在20世纪80年代就对沼气干发酵进行研究。德10中国沼气ChinaBiogas2021,28(5利亚州的别费慕公司在德国中试研发的基础上,研发出了商业实用的技术,通过了德国技术监督协会TUV的干式沼气发酵成套设备技术安全认证,成为了德国第一个商用级间歇式干式沼气站的公司。2006年10月美国加州大学DAVIS分校研制的储罐型干法沼气发酵装置点火成功。3沼气干发酵技术的研究沼气干发酵又称固体厌氧发酵,它是以秸秆、生活垃圾、和畜禽粪便等固体有机废弃物为原料,利用厌氧微生物发酵产生沼气,反应体系中的TS含量达到20%～40%。沼气干发酵中采用的菌种和工艺条件的控制会直接影响干发酵的3.1沼气干发酵的微生物菌群与常规沼气发酵的机制相同,厌氧干发酵的过程同样包括水解阶段、酸化阶段、产甲烷反应阶段(见图1[9]。这几个阶段由发酵性细菌、产氢产乙酸菌、产甲烷古菌三个功能菌群的微生物共同完成。水解阶段中多糖、蛋白质及脂类、纤维素等在某些细菌的作用下转化为乙酸、丙酸、丁酸等长链脂肪酸和醇类及一定量的氢、二氧化碳。这个过程中,细菌大多数为严格厌氧菌,如梭状芽胞杆菌,双歧杆菌。此外,也包括链球菌和肠杆菌科一些兼性厌氧菌。酸化阶段主要是产氢产乙酸菌将较高的挥发性脂肪酸转化为乙酸、氢及二氧化碳。典型的菌是Acetobacteriumwoodii和Clostridiumaceticum.在发酵过程中,氢分压的高低对有机物的降解有一定的调节作用,产氢微生物只有在耗氢微生物共存的条件下才能生长。图1厌氧干发酵机制高度专化的古菌-产甲烷菌来完成,它们主要是利用氢产甲烷菌和利用乙酸产甲烷菌两大类群。如Methanosarcinabarkeri,Metanonococcusmazei,Metha-notrixsoehngenii。厌氧干发酵常用的菌种有沼渣、下水道污泥等。接种物一般不低于发酵料重量的30%,且要有良好的活性。接种合适的菌种是干发酵的一关键步骤。我国80年代就开始了对沼气干发酵菌种的研究,罗德明[10]等人研究了菌种对不同干物质产气的影响。闫志英[11]以秸秆为沼气发酵原料,发现秸秆经复合菌剂预处理后,产气量比未加复合菌剂预处理的对照组提高。近几年来随着分子生物学的发展,DGGE[12]技术应用于干发酵菌群的分析,RowenaT采用PCR-DGGE技术,使用不同的引物对干发酵过程中的金黄色葡萄球菌及乳酸菌进行检测。T-RFLP[13],LH-PCR[14],SSCP[15]技术也广泛应用于微生物干发酵的研究,利用这些技术对沼气干发酵的菌群的多样性进行研究、检测产甲烷菌群的变化,筛选出新的高效干发酵菌种,从而更好的优化了工艺条件、增加产气量。通过克隆文库方法可以确定微生物的种群和多样性,同时可以发现更多的未培养的适合干发酵的产甲烷微生物。在沼气干发酵过程中纤维素、半纤维素难于被一般微生物分解,这是干发酵的难点。Romano[16]等指出在沼气发酵过程中,纤维素和半纤维素的降解是厌氧消化的限速步骤,提高水解速率是厌氧消化过程中提高生物量转率的关键。寻找纤维素降解的高效菌株是增加沼气干发酵产气量的有效途径。他们通过实验比较了添加不同酶预处理后秸杆的产气情况,并通过16SrDNA测序分析了占优势地位的厌氧菌群。3.2沼气干发酵的影响因素现有的研究结果表明:在沼气干发酵过程中温度是调控发酵菌群、强化产气的重要手段。在常温发酵条件下,发酵料液温度随季节的变化受气温、地温的直接影响,波动较大,导致微生物生长和沼气产量均不稳定;中温发酵的温度控制在30℃～38℃之间,在该温度条件下微生物的形成稳定的优势种群,其生长代谢稳定,沼气产量较高;高温发酵的温度在50℃～55℃之间,此时微生物对原料分。艾平[17]等人通过正交试验,研究了厌氧干发酵处理畜禽粪便过程中发酵温度,得到了厌氧干发酵处理的优化工艺条件:发酵温度为55℃,C/N为12.5。FatmaA[18]在37℃,55℃及65℃条件下对鸡粪进行批量式干发酵试验,55℃及65℃进行的发酵样品未检测到甲烷,而在中温37℃的情况下对鸡粪进行干发酵,培养254天,取得了较好的产气效果(31mL·gVS-1。BujoczekG[19]则认为:以鸡粪为原料,固含量超过21.7%的情况下35℃进行发酵,产生效果不太好。适宜的pH值环境对沼气的沼气干发酵效果有着至关重要的作用。沼气干发酵的最适pH值为6.8～7.4,6.4以下或7.6以上都对产气有抑制作用,pH值在5.5以下,产甲烷菌的活动则完全受到抑制。控制发酵体系的pH值(7.0～7.2,使产甲烷菌处于最佳的生存状态,是提高水稻秸秆发酵产沼气的关键[20]。与常规的沼气发酵相似,适当的添加微量元素能够促进微生物的生长和代谢。微量元素镍、钴能够显著影响稻草干发酵的日产气量,适当的添加镍、钴有利于甲烷菌的生长,但过高的添加量反而会抑制甲烷菌的生长[21]。马诗淳[22]从微生物代谢调控的角度出发,研究纤维素厌氧分解菌和筛选促进纤维素降解产甲烷的刺激因子,发现不同刺激因子对微生物群落结构的组成和丰度影响显著,同一刺激因子不同培养时间的微生物群落结构变化明显。另外适量的添加水解酶能够增加沼气的产量[23～24]。3.3沼气干发酵的原料3.3.1农作物秸杆随着我国农业经济发展及建设社会主义新农村的步伐,农作物秸秆作为一种可利用的再生能源,越来越受到人们的重视。在厌氧干发酵中,一般可采用水稻、玉米、小麦、花生等农作物秸秆为发酵原料。农作物秸杆在干发酵的过程中降解比较复杂,原料的产气率较低。国内一些学者[25～27]通过秸杆的预处理及发酵工艺的控制来提高产气率。张望等人以稻秸为原料,在中温生物反应器内进行厌氧干发酵,研究了稻秸发酵过程中的生物气产量,pH值,渗滤液COD及甲烷含量的变化。焦静[28]等人以不同比例配制原料,进行厌氧发酵试验,研究了草粪比对甘蔗叶干法厌氧发酵产气效果的影响。2城市生活垃圾有多种处理技术,厌氧干发酵技术是其中一种经济、合理的处理方法。国外在上世纪90年代就将厌氧干发酵技术用于城市垃圾的处理,运用瑞士的Kompogas工艺,日本、瑞士等国已经建立约18个高温干式厌氧垃圾处理工厂。国内早在1995年刘晓风[29]就采用厌氧消化污泥作接种物对城市有机垃圾进行了处理。后来冷成保[30]等人提出了生活垃圾的暗河式干发酵处理研究及其工艺设想,这种处理方法具有垃圾处理量大、垃圾可以得到及时即地处理、占用土地少等优点。城市污水处理厂每天要产生大量的市政污泥,其处理技术一直未能很好地解决。谢震震[31]以脱水污泥作为底物,模拟污水厂脱水污泥在填埋场中的生物降解过程,进行了脱水污泥干发酵的实验研究,为污泥的填埋稳定化提供了理论指导。4沼气干发酵装置的相关研究德国于90年代起,开始进行间歇式干法沼气发酵技术及工业级装备的研发。目前欧洲的干法沼气发酵技术主要有:车库型、气袋型、渗出液存储桶型、干湿联合型和立式罐型等。我国在21世纪初开始了大型干法厌氧发酵反应器研究,目前还处于小试研究阶段。甘如海[32]等自行设计了卧式螺带式搅拌发酵罐来进行厌氧干发酵。韩杰等[33]研制出新型沼气干法发酵反应器—覆膜槽生物(MCT反应器,并以MCT反应器为核心,改进和优化集成现有沼气技术,开发出新型规模化干法沼气发酵技术与成套装备。干发酵底物固体含量较高,发酵原料存在的浓度梯度,传热、传质困难。接种物与底物混合有一定难度。在沼气工程中设置混合搅拌装置,可以提高反应的传质效率,加快产沼气过程的进行[34],法国JGuendouz[35]在中温条件下对完全混合反应器进行了研究。5沼气干发酵技术的应用厌氧干发酵的优点在于系统稳定、处理量大、占地小、节水等。国外目前干发酵厌氧工艺一般采用干式单级发酵系统。其中Dranco工艺-比利时Brecht处理厂、Biocel工艺-荷兰Ielystad处理厂、瑞士Kompogas工艺、法国Valorga工艺在国外已经广泛应用于有机物的处理。四种工艺特点如表1所4ra12中国沼气ChinaBiogas2021,28(5理厂,其中以比利时Brecht二期Dranco沼气干发酵系统为代表,瑞士等国家Kompogas工艺建立至少12个大型工程。而Valorga工艺在瑞士、德国、西班牙、比利时等国家均有利用。表1四种工艺特点工艺类型处理量t·a-1固含量%温度℃停留时间dBiocel工艺5000030～4035～4010Dranco工艺11000～3500015～4050～5820(15～30Kompoga工艺10,00030～455415～18Valorga工艺10000～21000025～35无14～28我国目前大型的干发酵处理工程尚处于技术研发阶段,其技术模式还有待进一步检验。国内在干发酵利用方面进行了一些研究。张无敌[36]等人针对干发酵设备复杂、操作烦琐、产气不均衡等不宜推广使用的局限,发明了一种结构简单,低成本的干发酵循环连续式沼气发酵的工艺方法,有效解决干发酵产气不均衡的缺点,实现对有机废弃物的连续发酵和均衡产气。赵国明[37]等设计了一套对厌氧干法发酵技术进行改进,通过应用新型生物反应器和与之相配套的厌氧发酵工艺,可以再增加产气量、提高运行负荷、简化后处理工序。由于沼气干发酵中发酵原料存在严重的浓度梯度,传热、传质困难,对于沼气发酵至关重要的pH值、反应温度等很难控制,对发酵设备的技术条件要求高,造成在厌氧干发酵工艺控制方面存在一些困难。目前厌氧干发酵过程中只有少量的几个参数能够得到实时的测量,而厌氧干发酵过程的复杂性,发酵过程中很难找到一个简单而合适的控制参数[38]。因此需要对厌氧干发酵的工艺控制理论和技术条件进行深入的研究。6展望我国的能源生产及消费呈现出“富煤、缺油、少气”以及新型能源短缺发展滞后的结构特征。在当前应对气候变化的情况之下,发展低碳经济已经成为世界性的潮流。厌氧干发酵技术在各种固体有机废弃物资源化利用上具有一定的技术优势,但由于各国该项技术研发起步较晚,在工业化应用领域处于实验阶段,以下方面的研究工作有待进一步的完善。厌氧干发酵产量,需进一步的研究干发酵过程中微生物的群落信息,并采用分子手段获得的目标菌群的丰度和变化的相关信息来准确反映反应器系统的真实情况,进一步加强发酵过程的调控。我国干法沼气发酵技术装备起步较晚,专用设备较为缺乏,开发多功能秸秆粉碎技术及机具、规模化干法厌氧发酵装置、原料提升设备,高效生物颗粒肥料成型技术与机具,提高干法厌氧发酵工程质量的专用工装、模具、规模化干法厌氧发酵的工程设施与关键设备,能给干发酵系统的可靠运行提供装备保障,提高发酵效果。参考文献:[1]李鹏,王文杰.我国农业废弃物资源的利用现状及开发前景[J].天津农业科学,2021,15(3:46-49.[2]余昆朋.城市生活垃圾厌氧消化技术进展[J].环境卫生工程,2003,11(1:16-20.[3]缪则学,宋明芝.北方农村沼气池干发酵的应用实验[J].中国沼气,1988,6(4:23-25.[4]边文骅,董敬华,彭立风.腐植酸发酵形成腐植酸的周期及其规律的研究[J].河北师范大学学报,1996,20(3:78-79.[5]叶森,魏吉山,赵哈乐,等.自动排料沼气干发酵装置[J].中国沼气,1989(4:17-19.[6]罗庆明,李秀金,朱保宁,等.NaOH处理玉米秸秆厌氧生物气化试验研究[J].农业工程学报,2005(2:17-19[7]韩捷,向欣,李想.覆膜槽沼气规模化干发酵技术与装备的研究[J].农业工程学报,2021(10:100-104.[8]Mata-AlvarezJ,MaceS,LlabresP.Anaerobicdiges-tionoforganicsolidwastes.Anoverviewofresearcha-chievementsandperspectives[J].BioresourceTechnolo-gy,2000,74:3-6.[9]PeterW.Biogasproduction:currentstateandperspectives[J].ApplMicrobiolBiotechnol,2021,85:849–860.[10]罗德明,李炎章,杨万华.沼气干发酵研究—菌种水质对干发酵产气量的影响[J].中国沼气,1983,(1:3-6.[11]闫志英,袁月祥,刘晓风,廖银章,贺蓉娜.复合菌剂预处理秸秆产沼气[J].四川农业大学学报,2021,27(2:176-179.[12]FontanaC,VignoloG,CocconcelliPS.PCR-DGGEa-nalysisfortheidentificationofmicrobialpopulationsfromArgentineandryfermentedsausages[J].JournalofMi-,,633-13中国沼气ChinaBiogas2021,28(5[13]SawamuraH,YamadaM,EndoK,etal.Characteriza-tionofmicroorganismsatdifferentlandfilldepthsusingcarbon-utilizationpatternsand16SrRNAgenebasedT-RFLP[J].JournalofBioscienceandBioengineering,2021,109(2:130-137.[14]MillsDK,EntryJA,VossJD,etal.AnAssessmentoftheHypervariableDomainsofthe16SrRNAGenesforTheirValueinDeterminingMicrobialCommunityDiversi-ty:TheParadoxofTraditionalEcologicalIndices[J].FEMSMicrobiolEcol,2006,57(3:496-503.[15]YeChen,JayJC.AnaerobicProcessesinWasteTreat-ment[J].WaterEnvironmentResearch,2005,77:(6,1347-1388.[16]RowenaT,RuihongZ,SarahT,JefferyA.TheeffectofenzymeadditiononanaerobicdigestionofJoseTallWheatGrass[J].BioresourceTechnology,2021,100,4564-4571.[17]艾平,张衍林,袁巧霞,等.厌氧干发酵处理畜禽粪便的影响因子[J].华中农业大学学报,2021,28(3:377-380.[18]FatmaA,YutakaN,NaomichiN.Drymesophilicfer-mentationofchickenmanureforproductionofmethanebyrepeatedbatchculture[J].JournalofBioscienceandBi-oengineering,2021,107,(3:293-295.[19]BujoczekG,OleszkiewiczJ,SparlingRandCenkowskiS.Highsolidanaerobicdigestionofchickenmanure[J].AgricEngRes,2000,76:51–60.[20]王永泽,邵明胜,王志,陈雄,李冬生.pH值对水稻秸秆厌氧发酵产沼气的影响[J].湖北工业大学,2021,37(31:15093-1509.[21]全桂香,常志州,叶小梅.不同底物沼气干发酵启动阶段的产酸特征研究[J].江苏农业科学,2021,1:225-227.[22]马诗淳.沼气发酵微生物代谢调控技术研究[D].成都:农业部沼气科学研究所,2021.[23]GerhardtM.Theuseofhydrolyticenzymesinagriculturalbiogasproduction.In:ProgressinBiogas[J].Stuttgart-Hohenheim,2007,1:247-254.[24]SchimpfU,ValbuenaR.Increaseinefficiencyofbi-omethanationbyenzymeapplication[J].BornimerAgrar-technischeBerichte,2021,68:44-56.[25]何荣玉,闫志英.秸秆干发酵沼气增产研究[J].应用与环境生物学报,2007,13(4:583-585.[26]边义,刘庆玉,李金洋.玉米秸秆干发酵制取沼气的试验[J].沈阳农业大学学报,2007,38(3:440-442.[],,秸秆产沼气[J].四川农业大学学报,2021,27(2:176-179.[28]焦静,王金丽,邓怡国,等.草粪比对甘蔗叶干法厌氧发酵产气效果的影响[J].广东农业科学,2021,1:51-54.[29]刘晓风,廖银章.城市有机垃圾厌氧干发酵研究[J].太阳能学报,1995,16(2:170-173.[30]冷成保,肖波,杨家宽.暗河式生活垃圾干发酵处理研究[J].环境工程,2001,19(4:45-47.[31]谢震震,张华.脱水污泥在干发酵过程初期的生物降解规律研究[J].中国资源综合利用,2007,25(4:30-32.[32]甘如海.畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器的研究设计[D].武汉:华中农业大学,2004.[33]韩捷,向欣,李想.农业废弃物资源化利用新途径---覆膜槽干法发酵沼气工程技术[J].农业工程技术(新能源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