氯化鐵與白腐菌聯(lián)合預(yù)處理光合產(chǎn)氫用秸稈的試驗(yàn)研究

向廣帥，張全國，劉圣勇

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源新材料與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450002)

氯化鐵與白腐菌聯(lián)合預(yù)處理光合產(chǎn)氫用秸稈的試驗(yàn)研究

向廣帥，張全國，劉圣勇*

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源新材料與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450002)

[目的]探討氧化鐵與白腐菌聯(lián)合預(yù)處理光合產(chǎn)氫用秸稈的最佳工藝。[方法]采用氯化鐵與白腐菌聯(lián)合預(yù)處理法，對光合產(chǎn)氫用秸稈進(jìn)行預(yù)處理。[結(jié)果]用0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，固液比為1/20 g/ml，在100～108 ℃下處理玉米秸稈30 min后，其纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量均有明顯的變化，且纖維素含量最高增加了52.78%，半纖維素最高減少了12.06%；經(jīng)三氯化鐵處理過的玉米秸稈接種白腐菌后，在第12天時還原糖含量最高達(dá)1.92 mg/ml，此時的玉米秸稈作為光合產(chǎn)氫的基質(zhì)效果最好。[結(jié)論]氯化鐵與白腐菌聯(lián)合預(yù)處理法，可進(jìn)一步促進(jìn)光合產(chǎn)氫用秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

氯化鐵；白腐菌；預(yù)處理；生物制氫

隨著化石燃料的日益枯竭和環(huán)境的日益惡化，發(fā)展清潔的可再生資源已成為世界上迫切的問題[1]。氫氣作為可再生能源的一個重要組成部分，被認(rèn)為是我國能源使用安全、清潔、能促進(jìn)發(fā)展生物質(zhì)能源的重要途徑[2]。秸稈是地球上最豐富的生物質(zhì)原料之一，也是生物質(zhì)制氫的主要原料，主要有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等構(gòu)成，木質(zhì)素與半纖維素以共價鍵的形式限制著纖維素的分解，影響了纖維素的轉(zhuǎn)化效率及發(fā)酵周期，氫氣原料的預(yù)處理是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高原料利用率，加大產(chǎn)氣量，縮短啟動時間的有效手段[3]。金屬離子處理成本較低且處理?xiàng)l件較好[4]，處理后的廢液可以回收利用，生物處理法具有作用條件溫和、能耗低、專一性強(qiáng)，不存在環(huán)境污染，處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，有較大發(fā)展空間[5]。因此，筆者選用氯化鐵與白腐菌聯(lián)合預(yù)處理光合產(chǎn)氫用秸稈。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料玉米秸稈采自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)園，自然風(fēng)干下經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，過40目標(biāo)準(zhǔn)篩，75 ℃烘干至恒重。三氯化鐵(分析純)購自天津市華東試劑廠。白腐菌(黃孢原毛平革菌，PhanerochaetechrysosporiumGIMCC編號：GIM3.393)購自廣東微生物研究所微生物保藏中心，干粉用少量的無菌水溶解，然后接種到PDA斜面培養(yǎng)基上，放入28 ℃的恒溫生化培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)白腐菌(約7 d)，然后對菌種進(jìn)行第二代的接種培養(yǎng)(約7 d)后放入4 ℃的冰箱備用[6]。

1.2 試驗(yàn)方法采用氯化鐵與白腐菌聯(lián)合預(yù)處理法對光合產(chǎn)氫用秸稈進(jìn)行處理，先用三氯化鐵溶液處理秸稈，破壞秸稈纖維素分子鏈上的氫鍵結(jié)構(gòu)[7]，降低纖維素分子的結(jié)晶度，再接種白腐菌，加快白腐菌處理秸稈的時間。首先，稱取一定量的干燥秸稈，分別按固液比1/10、1/20 g/ml，添加濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，振蕩均勻后置于高壓滅菌箱中。設(shè)置溫度范圍為100～108 ℃，反應(yīng)時間分別為15和30 min，測定預(yù)處理后纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量。具體試驗(yàn)方案見表1。分別取經(jīng)過氯化鐵處理后、洗至中性的40目玉米秸稈及未經(jīng)處理的40目玉米秸稈7.0 g，置于300 ml的三角瓶中，按照固液比1∶5加入蒸餾水，用無菌封口膜封口，121 ℃滅菌1 h；用打孔器向6個三角瓶中分別接種處于對數(shù)期的白腐菌(黃孢原毛平革菌)菌片若干，保持28 ℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)。分別在接種菌片第6、12、18、24、30天后取樣，測定還原糖含量。為避免差錯和減少誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值[8]。

1.3 測定方法玉米秸稈中纖維素、木質(zhì)素半纖維素含量測定，采用改良王玉萬法[9]。采用3，5-二硝基水楊酸比色法[10]測定水解液中還原糖含量，用752型分光光度計(jì)進(jìn)行比色測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 氯化鐵處理玉米秸稈在所測得21組試驗(yàn)中，經(jīng)比較纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量，第20組按固液比為1/20 g/ml，濃度0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，在100～108 ℃下反應(yīng)30 min，處理后的玉米秸稈纖維素、木質(zhì)素含量明顯提高，而半纖維素含量下降，其中纖維素含量較未處理的原料增加了52.78%，半纖維素減少了12.06%。由圖1可知，原料經(jīng)過三氯化鐵溶液處理前后，玉米秸稈的形態(tài)發(fā)生了明顯變化，處理前玉米秸稈的表面結(jié)構(gòu)平整光滑有序，處理后結(jié)構(gòu)得到明顯的破壞。

表1 氯化鐵處理試驗(yàn)方案

表2 FeCl3處理后玉米秸稈各組分含量 %

玉米秸稈經(jīng)三氯化鐵溶液預(yù)處理后，物料中各組分含量變化較大，主要是因?yàn)樵诮饘匐x子的作用下，半纖維素變的松散，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，易于被分離，故半纖維素含量減少；同時由于玉米秸稈細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，使細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)更多的被溶解出來，故而使可溶性物質(zhì)含量降低[11-12]。由于粘接層結(jié)構(gòu)遭到破壞，纖維素晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而使玉米秸稈物料中纖維素更多的暴露出來，所以經(jīng)三氯化鐵溶液處理后的玉米秸稈纖維素含量有了很大提高。從掃描電鏡的圖譜分析結(jié)果可知，三氯化鐵溶液預(yù)處理不僅能夠明顯破壞玉米秸稈物料的表面結(jié)構(gòu)，還能夠增大物料的表面孔徑。但是，Juan等[13]用濃度為0.265 mol/L的FeCl3，152.6 ℃下處理橄欖樹生物質(zhì)原料30 min，可以完全去除半纖維素，并得到很高的酶解率。分析其原因是為了降低能耗及緩解環(huán)境壓力，試驗(yàn)降低了反應(yīng)物濃度及反應(yīng)溫度，造成與秸稈的反應(yīng)不充分，未能完全破壞秸稈的結(jié)構(gòu)。

2.2 白腐菌處理玉米秸稈由圖2可知，在起初的前6 d還原糖含量很高，在第6天時達(dá)到最大值1.14 mg/ml。但是，此時玉米秸稈的降解還不夠完全，不適宜用于產(chǎn)氫。到第12天時還原糖消耗了很多，達(dá)到最小值0.39 mg/ml，這可能是由于白腐菌在繁殖過程中自身會消耗掉基質(zhì)中一部分的還原糖。在后續(xù)的12 d內(nèi)，還原糖含量又開始攀升，第18天時還原糖含量約為0.67 mg/ml，第24天時又出現(xiàn)了一個含量高峰，約為0.97 mg/ml。而24～30 d期間內(nèi)，還原糖含量又開始下降且趨于穩(wěn)定。因此，白腐菌處理40目玉米秸稈24 d左右時，可以加入光合產(chǎn)氫細(xì)菌，此時產(chǎn)氫能力將最強(qiáng)。

2.3 氯化鐵與白腐菌聯(lián)合處理玉米秸稈由圖3可知，隨著處理時間的增加，白腐菌與氯化鐵聯(lián)合處理40目玉米秸稈后，還原糖含量先增加后減小，最后趨于穩(wěn)定。第12天時還原糖含量最高，約為1.92 mg/ml;在第18天時還原糖含量達(dá)到一個較小值，約為1.41 mg/ml;到第24天時，還原糖含量約為1.52 mg/ml，比第18天增加了0.11 mg/ml；在第24～30天期間，隨著還原糖的被消耗達(dá)到一個穩(wěn)定值，約為1.48 mg/ml?？紤]到玉米秸稈的降解程度和產(chǎn)氫能力，選擇在第12天時加入光合產(chǎn)氫菌，可以使產(chǎn)氫效果較理想，產(chǎn)氫能力也較強(qiáng)。

2.4 不同處理對玉米秸稈中還原糖含量的影響由圖2和3可知，不同方式處理的玉米秸稈中還原糖含量的走勢不同，白腐菌單獨(dú)處理的玉米秸稈還原糖含量先減少后增加，再減少，最后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)橛衩捉斩捲趧偨臃N白腐菌后，白腐菌在降解秸稈生成還原糖的同時，還要利用還原糖進(jìn)行自身的繁殖生長[14]。而經(jīng)氯化鐵處理過的秸稈接種白腐菌后，在第6天還原糖含量達(dá)1.33 mg/ml，在第12天達(dá)最大值1.92 mg/ml，之后又減少，趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)橛衩捉斩捊?jīng)過氯化鐵處理后，其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，可以使白腐菌直接快速地降解木質(zhì)素和纖維素，生成多糖。可見，經(jīng)過氯化鐵處理過的40目玉米秸稈再用白腐菌處理，還原糖含量及周期有了明顯的提高。

3 結(jié)論

先利用化學(xué)法處理玉米秸稈，再利用白腐菌中黃孢原毛平革菌進(jìn)行處理，以酶解后還原糖含量作為考察指標(biāo)，確定最佳工藝。結(jié)果表明，用0.5 mol/L的三氯化鐵溶液，固液比為1/20 g/ml，在100～108 ℃下處理玉米秸稈30 min后，其纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量均有明顯的變化，且纖維素含量最高增加了52.78%，半纖維素最高減少了12.06%。經(jīng)氯化鐵處理過的玉米秸稈接種白腐菌后，在第12天時還原糖含量最高達(dá)1.92 mg/ml，此時的玉米秸稈作為光合產(chǎn)氫的基質(zhì)效果最好。氯化鐵處理秸稈后，濾液中的鐵離子可回收用共沉淀法制備納米四氧化三鐵等工業(yè)用品[15]，用于工業(yè)生產(chǎn)，不僅節(jié)約成本，同時也可以保護(hù)環(huán)境。

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Experimental Study of Ferric Chloride and White Rot Fungi Pretreatment for Photosynthetic Hydrogen Production of Straw

XIANG Guang-shuai, ZHANG Quan-guo, LIU Sheng-yong*

(Energy Engineering Laboratory, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

[Objective] The study aims to discuss the optimal conditions of ferric chloride and white rot fungi pretreatment for photosynthetic hydrogen production of straw. [Method] Ferric chloride and white rot fungi were used to pretreat straw for photosynthetic hydrogen production.[ Result] When the ratio of solid to liquid is 1/20 g/ml, the contents of cellulose, lignin and hemicellulose in corn straw changed significantly after corn straw was pretreated by 0.5 mol/L ferric chloride solution for 30 min at 100-108 ℃. Moreover, the highest increase of cellulose content was up to 52.78%, and the highest decrease of hemicellulose content reached 12.06%. After the treated straw was inoculated with white rot fungi for 12 days, the content of reducing sugar in the corn straw was up to the maximum 1.92 mg/ml, and the matrix effect of photosynthetic hydrogen production was the best now. [Conclusion] The combination of ferric chloride and white rot fungi could promote biomass conversion of straw further.

Ferric chloride; White rot fungi; Pretreatment; Biohydrogen production

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA051502)；河南省科技創(chuàng)新杰出人才計(jì)劃(2014KJCXJCRC015)；鄭州市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(131PCXTD588)。

向廣帥(1989- )，男，河南南召人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)能。*通訊作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事可再生能源方面的研究。

2015-03-25

S 182

A

0517-6611(2015)13-207-03