纖維素類產(chǎn)清潔能源的影響因素及研究進(jìn)展

蔡 璇，賀 燕，代瑞華，劉 燕，安 東

(復(fù)旦大學(xué)，上海 200433)

纖維素類產(chǎn)清潔能源的影響因素及研究進(jìn)展

蔡 璇，賀 燕，代瑞華，劉 燕，安 東

(復(fù)旦大學(xué)，上海 200433)

綜述了國(guó)內(nèi)外纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源的研究現(xiàn)狀，包括不同纖維素類物質(zhì)的產(chǎn)氣率，以及預(yù)處理方法、酶解、接種率、溫度、pH值、粒徑大小等對(duì)產(chǎn)氣率的影響，并對(duì)其研究方向進(jìn)行了展望。

纖維素類物質(zhì);產(chǎn)氫;產(chǎn)甲烷;清潔能源

1 引言

20世紀(jì)以來(lái)，隨著工業(yè)革命所帶來(lái)的石油資源緊缺問(wèn)題日趨明顯，“能源危機(jī)”問(wèn)題逐漸受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。與此同時(shí)，使用石油等礦物能源對(duì)環(huán)境造成的污染也在一定程度上威脅著人類的生活。為了減少對(duì)石油等礦物能源的依賴和減輕環(huán)境污染，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究清潔能源。纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源（甲烷、氫氣、乙醇等）的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)不僅能夠緩解石油資源緊缺所造成的能源危機(jī)，還可以減少二氧化碳、二氧化硫及其他有害物質(zhì)的排放，起到保護(hù)大氣環(huán)境的作用；此外，對(duì)具有污染性質(zhì)的物質(zhì)，如水葫蘆、藍(lán)藻等纖維素類物質(zhì)，能夠起到減量化、無(wú)害化的作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源的多種因素，如：預(yù)處理、纖維素類酶解、接種率、溫度、pH值、纖維素類粒徑、攪拌速度、有無(wú)金屬離子存在等方面進(jìn)行了大量研究，取得了一定的成果，本文對(duì)此進(jìn)行了綜述并對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

2 纖維素類物質(zhì)的產(chǎn)氣率

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同來(lái)源的纖維素類物質(zhì)進(jìn)行了厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源的研究，主要有秸稈類物質(zhì)[1,2]、植物殘?jiān)黐3]、環(huán)境污染物（水葫蘆[4,5]、藍(lán)藻[6]等）。表1中列舉了幾種具代表性的纖維素類物質(zhì)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源2000-2007年的研究結(jié)果。

從表1中可以看出，就產(chǎn)氣而言，纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)甲烷的潛力大于發(fā)酵產(chǎn)氫潛力。以水葫蘆為例，每gTS（干總固體含量）的產(chǎn)甲烷與產(chǎn)氫量之比為12.2∶1.0[4,5]；作為氣體能源，每g甲烷與氫氣完全燃燒所放出的熱量比為1.0∶2.6，所以每gTS產(chǎn)甲烷所放出的熱量約為每gTS產(chǎn)氫氣放出熱量的4～5倍?？梢?jiàn)，用水葫蘆發(fā)酵制甲烷比發(fā)酵制氫可以獲得更多的能量。但是，由于氫氣燃燒生成無(wú)污染的水而甲烷燃燒會(huì)生成溫室氣體二氧化碳，所以氫氣與甲烷相比是更好的清潔能源。對(duì)于產(chǎn)甲烷而言，環(huán)境污染物水葫蘆的發(fā)酵產(chǎn)氣潛力明顯高于其他物質(zhì)，達(dá)到634mL/gTS。所以，在發(fā)酵產(chǎn)甲烷時(shí)，建議使用水葫蘆、藍(lán)藻等環(huán)境污染物，若能充分利用不僅可以使這些污染物無(wú)害化，還能將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫那鍧嵞茉?。用甜高粱莖稈等制取乙醇是目前再生能源利用的一個(gè)熱點(diǎn)，表1中列出了用甜高粱渣及莖稈分別制取乙醇的得率，可以看出，用甜高粱渣產(chǎn)乙醇的得率遠(yuǎn)高于用甜高粱莖稈產(chǎn)乙醇的得率，這可能是因?yàn)樘鸶吡辉?jīng)磷酸酸化后提高了產(chǎn)乙醇的量[2,3]。

表1 具代表性的纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源的情況

3 纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的影響因素

3.1 不同預(yù)處理方法的影響

纖維素類物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。其中，纖維素和半纖維素能被微生物降解發(fā)酵，而木質(zhì)素不能被生物降解。由于半纖維素和木質(zhì)素堅(jiān)固地鑲嵌在纖維素中，形成結(jié)晶化和木質(zhì)化，對(duì)纖維素起到保護(hù)和覆蓋的作用，致使在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，阻礙了酶對(duì)纖維素類物質(zhì)的降解速度。因此，在水解前進(jìn)行預(yù)處理，可以破壞纖維素類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，脫去木質(zhì)素，增強(qiáng)了纖維素酶與纖維素的有效接觸[7]。預(yù)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法以及生物法等。

（1）物理法

在預(yù)處理方法中，最常用的就是將纖維素類物質(zhì)簡(jiǎn)單切分、碾碎的物理法。經(jīng)學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)，雖然在纖維素類制氫時(shí)，粒徑越小越有利于產(chǎn)氣；但是在纖維素類制備甲烷時(shí)卻得到另一種結(jié)果，簡(jiǎn)單切分比粉碎所得到的產(chǎn)甲烷量大[8]。這一結(jié)論將在下文粒徑的影響中進(jìn)一步分析。

（2）化學(xué)預(yù)處理法

在化學(xué)預(yù)處理法中，學(xué)者們主要研究硫酸、氫氧化鈉、氨水和氧化這四種預(yù)處理方法。而對(duì)于研究?jī)?nèi)容而言，化學(xué)藥劑的用量、各種化學(xué)藥劑之間的比較以及處理時(shí)的溫度、壓強(qiáng)等因素是研究的熱點(diǎn)。如：在藥劑用量方面，康佳麗等[9]用濃度為4%、6%、8%和10%的NaOH對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理，在50g/L的反應(yīng)器工作體積負(fù)荷率下，濃度為6%的NaOH處理麥秸效果最好，總產(chǎn)沼氣量最高為28.4L；在80g/L負(fù)荷率下，濃度為8%的NaOH處理麥秸的效果最好，總產(chǎn)沼氣量最高為44.3L?？梢钥闯?，每種藥劑有它的最佳濃度，并不是藥劑用量越高得到的沼氣量越多。在各化學(xué)藥劑之間的比較方面。不同的化學(xué)藥劑使用量、發(fā)酵原料以及不同負(fù)荷，均會(huì)導(dǎo)致不同的預(yù)處理效果和不同的清潔能源產(chǎn)生量。由此可見(jiàn)，并不能找到一種藥劑及用量能最有效地對(duì)各種纖維素類物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理。這給工業(yè)使用纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)清潔新能源帶來(lái)了不便，在使用纖維素類物質(zhì)前要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)以便找到最佳使用量從而節(jié)約成本。并且如果將多種纖維素類物質(zhì)混合在一起且進(jìn)原料量之比經(jīng)常變化時(shí)，很有可能造成產(chǎn)氣量不穩(wěn)定、變化大的現(xiàn)象。

（3）物理化學(xué)預(yù)處理法

表5為實(shí)測(cè)試件各特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效黏滯阻尼系數(shù)he。由表5可知，所有試件等效黏滯阻尼系數(shù)變化規(guī)律相似，隨位移的增加而增大。峰值、破壞所對(duì)應(yīng)等效黏滯阻尼系數(shù)的變化范圍分別為0.203～0.369、 0.361～0.538，表明方鋼管再生混凝土柱經(jīng)歷高溫作用后，仍具有良好的耗能能力。試件耗能能力受再生粗骨料取代率的改變呈波動(dòng)變化，但從總體上看影響不大；隨著套箍指標(biāo)的減小而降低，降幅10%；隨著受熱溫度的增加呈先降后增的趨勢(shì)，300℃時(shí)，試件耗能最為不理想。

在物理化學(xué)預(yù)處理法中，爆破法和濕氧化法是常用的預(yù)處理方法。研究的熱點(diǎn)集中在預(yù)處理時(shí)的溫度、爆破時(shí)間和添加藥劑種類及用量等。Emmel等[10]使用溫度在200℃～210℃，爆破時(shí)間為2～5min以及濃度為0.087%和0.175%的硫酸對(duì)桉樹(shù)片進(jìn)行爆破處理，發(fā)現(xiàn)使用0.175%的硫酸在210℃爆破2min時(shí)可得到最佳預(yù)處理效果。

（4）生物法預(yù)處理

在生物法預(yù)處理中，大多使用褐腐菌、白腐菌和軟腐菌等微生物來(lái)降解木質(zhì)素和半纖維素。研究發(fā)現(xiàn)，白腐菌黃孢原毛平革菌在二次代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種可以降解木質(zhì)素的酶。Azzam發(fā)現(xiàn)在5周內(nèi)35%的麥草被糙皮側(cè)耳菌轉(zhuǎn)化成還原糖[11]。

每種預(yù)處理方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，總的來(lái)說(shuō)，物理法能耗大，并且單使用物理法處理效果不佳；化學(xué)法處理效率高，但是藥品成本高，如應(yīng)用于工業(yè)中易產(chǎn)生二次污染，同時(shí)酸性預(yù)處理還有抑制酶解的作用；生物法所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，不太適合工業(yè)應(yīng)用；相對(duì)而言，物理化學(xué)法中的爆破法污染小，處理效果好，但其能耗較高。如果能解決其能耗問(wèn)題，那么爆破法將是一種具有廣闊工業(yè)化前景的預(yù)處理方法。

3.2 纖維素酶解

利用纖維素類物質(zhì)為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源，水解是其中較為關(guān)鍵的一步。水解是纖維素類物質(zhì)被微生物所產(chǎn)生的胞外水解酶（主要是纖維素酶解）纖維素酶轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的溶解性葡萄糖和纖維二糖的過(guò)程。為了提高酶解效率，各國(guó)學(xué)者對(duì)纖維素的酶解過(guò)程的最適條件進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，纖維素酶作用的最適宜溫度隨酶的來(lái)源不同一般在40℃～50℃；對(duì)于pH值而言，酸性纖維素酶的最適pH在4.8左右，中性纖維素酶的最適pH值在6.8左右；對(duì)于酶載量大多采用7～33FPU/g纖維素[12]。

3.3 接種率和添加物質(zhì)種類的影響

僅用纖維素類物質(zhì)為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源，產(chǎn)量小且達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間長(zhǎng)。一般按一定的接種率將有機(jī)廢水、禽畜糞便、活性污泥等含有活性菌種的物質(zhì)添加到原料中一起進(jìn)行發(fā)酵，從而得到較高的產(chǎn)氣量。表2和表3分別以水葫蘆、稻草為例，列舉了添加不同物質(zhì)對(duì)產(chǎn)甲烷、氫氣效率的影響。

表2 添加不同物質(zhì)對(duì)水葫蘆產(chǎn)甲烷效率的影響

表3 添加不同物質(zhì)對(duì)稻草產(chǎn)氫效率的影響

從表2中可以看出，水葫蘆只有在添加活性污泥等添加物之后才能產(chǎn)甲烷，而在不添加任何物質(zhì)的情況下只能進(jìn)入產(chǎn)酸階段而不能進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段。由于水葫蘆在沒(méi)有添加物的情況下，缺乏降解纖維素物質(zhì)所需產(chǎn)酶菌種，而且甲烷菌是一種世代時(shí)間長(zhǎng)的嚴(yán)格厭氧菌，較難在短時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出來(lái)。

表3將纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中最為常見(jiàn)的添加物—活性污泥和豬糞在工藝基本相同的情況下做了比較，可以看出在稻草中添加活性污泥得到的氫氣量約為在稻草中添加豬糞的兩倍，可見(jiàn)，使用活性污泥比使用豬糞能更為有效地提高產(chǎn)氫效率。這是因?yàn)榛钚晕勰噍^豬糞含有更豐富的微生物菌種。

3.4 溫度的影響

溫度是影響厭氧發(fā)酵反應(yīng)的主要因素之一，尤其是甲烷細(xì)菌對(duì)溫度的變化最為敏感。根據(jù)細(xì)菌對(duì)溫度的適應(yīng)范圍可分為：低溫發(fā)酵（5℃～15℃）、中溫發(fā)酵（30℃～35℃）和高溫發(fā)酵（50℃～55℃）。

研究表明，對(duì)于發(fā)酵產(chǎn)甲烷而言，高溫發(fā)酵比中溫發(fā)酵產(chǎn)氣速度快，產(chǎn)氣量大。南艷艷等[8]分別在35℃和53℃的條件下，對(duì)秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵制甲烷實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在53℃時(shí)進(jìn)行厭氧發(fā)酵制備甲烷的產(chǎn)氣量較大。蘭吉武等[13]在35℃和55℃的條件下分別對(duì)水葫蘆進(jìn)行厭氧發(fā)酵制備甲烷實(shí)驗(yàn)，也得到相同的結(jié)論。

而對(duì)于發(fā)酵產(chǎn)氫而言，中溫發(fā)酵的產(chǎn)氣量反而高于高溫發(fā)酵的產(chǎn)氣量。周俊虎等[7]在35℃和55℃時(shí)分別對(duì)水葫蘆進(jìn)行發(fā)酵制氫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在發(fā)酵底物質(zhì)量同為10g（總固體含量同為92.7%）、發(fā)酵時(shí)間相同的情況下，35℃時(shí)的總產(chǎn)氫量為185mL，較55℃時(shí)的總產(chǎn)氫量105mL大。

3.5 pH值的影響

每種細(xì)菌都有其生長(zhǎng)最適合的pH值，所以pH值對(duì)纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)清潔能源的影響是不能忽視的。

纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷時(shí)，控制產(chǎn)氣量大小的關(guān)鍵因素是甲烷菌，而甲烷菌的最適pH值范圍是6.8～7.2，若pH小于6.6或大于9.0，則甲烷菌將大量減少。而纖維素類物質(zhì)厭氧降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸等中間產(chǎn)物，導(dǎo)致pH值下降，在反應(yīng)器中控制2000～3000mg/L的堿度可以保障其pH值在中性范圍內(nèi)。

對(duì)于產(chǎn)氫而言，一般將pH值控制在6.0左右，就可以抑制甲烷菌的生長(zhǎng)。周俊虎等[14]對(duì)pH值分別為4.5和6.0的10gTS稻草發(fā)酵產(chǎn)氫進(jìn)行厭氧發(fā)酵，總產(chǎn)氫量分別為640mL（產(chǎn)氫潛力為64mL/gTS）和905mL（產(chǎn)氫潛力為90.5mL/gTS）。Chou等[15]分別在pH值為5.0、5.5、6.0、6.5的條件下進(jìn)行厭氧產(chǎn)氫，也發(fā)現(xiàn)pH值為6.0的總產(chǎn)氫量最大，這與周俊虎得出的結(jié)論相吻合。

對(duì)于產(chǎn)乙醇而言，反應(yīng)器pH值一般在5左右。馬會(huì)強(qiáng)等[16]得出AQ菌（產(chǎn)乙醇菌）最適pH值為4.8～5.8，過(guò)低會(huì)影響AQ菌的活力，過(guò)高會(huì)滋生雜菌。

3.6 粒徑的影響

一般來(lái)說(shuō)，纖維素類物質(zhì)較小的粒徑有助于纖維素酶與纖維素的接觸，提高反應(yīng)效率。周俊虎等[14]報(bào)道粒徑為770μm稻草的總產(chǎn)氫量315mL，遠(yuǎn)小于粒徑為170μm稻草的總產(chǎn)氫量905mL。

但是在厭氧降解產(chǎn)甲烷的過(guò)程中，并不是粒徑越小，產(chǎn)氣量越大。南艷艷等[8]分別對(duì)秸稈進(jìn)行粉碎和簡(jiǎn)單切分處理，認(rèn)為簡(jiǎn)單切分的秸稈總產(chǎn)甲烷量較高。蘭吉武等[13]對(duì)水葫蘆以同樣的方式處理，得到類似的結(jié)論。原因主要為：水葫蘆酸化反應(yīng)與甲烷化反應(yīng)間存在一個(gè)平衡點(diǎn)，簡(jiǎn)單切分的秸稈酸化速率較慢，酸化反應(yīng)與甲烷化反應(yīng)能達(dá)到更好的平衡，有利于反應(yīng)進(jìn)行。與此同時(shí)，簡(jiǎn)單切分的秸稈孔隙率高，產(chǎn)氣更易溢出，在一定程度上促進(jìn)了水葫蘆厭氧降解產(chǎn)甲烷的進(jìn)行。

除了上面提到的諸多因素，還有一些其他因素也會(huì)影響產(chǎn)氣量，如：攪拌速度、有無(wú)重金屬離子存在等，在此不一一贅述。

4 展望

（1）工業(yè)化問(wèn)題

在纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)清潔新能源的過(guò)程中，產(chǎn)量較少、成本較高是工業(yè)化主要的問(wèn)題。如果使用預(yù)處理來(lái)提高產(chǎn)氣量，會(huì)增加成本。所以，現(xiàn)階段雖然纖維素類物質(zhì)大量存在，人們還是偏向于使用成本較低、產(chǎn)量較高、無(wú)需預(yù)處理的糞便或者有機(jī)廢水作為厭氧發(fā)酵生產(chǎn)新能源的原料。所以，在未來(lái)的研究中應(yīng)著重于降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)氣量。

（2）預(yù)處理問(wèn)題

纖維素預(yù)處理技術(shù)操作復(fù)雜且費(fèi)用昂貴，易產(chǎn)生二次污染。如：物理法能耗大；化學(xué)法藥品較貴且使用濃度較大時(shí)，易造成二次污染；生物法所需時(shí)間長(zhǎng)等。未來(lái)的研究方向主要著重于工程應(yīng)用，以生物法為主，多種處理方法相結(jié)合，以達(dá)到簡(jiǎn)化操作、降低成本、減少污染的效果。

（3）水解酶問(wèn)題

利用微生物自身產(chǎn)生的水解酶降解纖維素往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，許多學(xué)者在研究纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵工藝時(shí)，都使用投加纖維素酶的方法，以加快降解速度，提高效率。但是纖維素酶價(jià)格昂貴，大大提高了成本。在下階段的研究中，在水解方面應(yīng)集中在降低降解纖維素酶的成本和提高微生物水解纖維素的速度。

（4）環(huán)境污染性的纖維素類物質(zhì)

具有環(huán)境污染性的纖維素類物質(zhì)，如：水葫蘆、藍(lán)藻等，年產(chǎn)量較大且為急需清除的纖維素類物質(zhì)。由于纖維素類物質(zhì)是一種極為豐富的資源，如果可以被很好地利用，不僅能增加能源，還能變害為寶，減少環(huán)境污染。

目前，在倡導(dǎo)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行的共識(shí)中，使用纖維素類物質(zhì)制備清潔新能源已成為十分熱門(mén)的話題，也是學(xué)者們努力研究的方向之一。但工業(yè)化使用纖維素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氣現(xiàn)在還不成熟，還有許多問(wèn)題需要解決，如產(chǎn)氣量較少、預(yù)處理成本高、易形成二次污染等。只要解決了相關(guān)問(wèn)題，纖維素類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣技術(shù)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。

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[16]馬會(huì)強(qiáng)，張?zhí)m英，等.城市生活垃圾生物轉(zhuǎn)化乙醇初探[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2007，37(5):993-997.

Influence Factors and Research Progress in New Clean Energy Produced from Cellulosic Matter

CAI Xuan, HE Yan, DAI Rui-hua, LIU Yan, AN Dong
(Fudan University, Shanghai 200433, China)

First of all, the paper discusses the rate of gas production about different cellulosic matter. And, the factors about the rate of gas production, such as the pretreatment, enzymolysis, vaccination rate, temperature, pH, the size of particle,stirring rate, heavy metals and so on, are discussed. Finally, the prospect of further directions is demonstrated.

cellulosic matter; hydrogen-production; marsh gas production; clean energy

X382

A

1006-5377（2010）01-0022-05

注：復(fù)旦大學(xué)學(xué)術(shù)研究資助計(jì)劃（FDUROP）曦源項(xiàng)目資助。

蔡璇，1987年生，女，碩士，研究方向：水污染控制。

代瑞華，Email：rhdai@fudan.edu.cn；電話：021-55664244。