酸處理菹草制備生物乙醇和甲烷過(guò)程研究

彭書(shū)傳(1964-),男,安徽六安人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

酸處理菹草制備生物乙醇和甲烷過(guò)程研究

尹藝冉1,王進(jìn)1,彭書(shū)傳1,曹麗斌2,時(shí)昌波1,岳正波1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥230009; 2.南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京210023)

摘要:文章通過(guò)以水生植物菹草為研究對(duì)象,對(duì)水生植物制備生物乙醇和甲烷過(guò)程進(jìn)行了比較分析,并利用稀酸處理提高其生物可降解性。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于產(chǎn)乙醇過(guò)程,最優(yōu)的預(yù)處理?xiàng)l件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、溫度125 ℃、時(shí)間2 h,在此條件下,乙醇產(chǎn)量達(dá)75.70 mg/g;而對(duì)于產(chǎn)甲烷過(guò)程,最優(yōu)的預(yù)處理?xiàng)l件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、溫度115 ℃、時(shí)間2 h,最大產(chǎn)甲烷量為110.56 mL/g。X射線衍射儀分析結(jié)果顯示稀酸預(yù)處理后菹草纖維素結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞。分析表明厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程效率更高,更適于菹草資源化。研究結(jié)果可為水生植物的能源化利用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞:菹草;稀酸預(yù)處理;生物乙醇;甲烷

收稿日期：2014-01-02；修回日期：2014-03-27

基金項(xiàng)目：水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX07103001);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)預(yù)研資助項(xiàng)目(2011CB411904)

作者簡(jiǎn)介：尹藝冉(1989-),女,安徽合肥人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.022

中圖分類(lèi)號(hào):S216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Researchonpreparationprocessofbio-ethanolandmethane

withacidpretreatedcurly-leafpondweed

YINYi-ran1,WANG Jin1,PENG Shu-chuan1,

CAOLi-bin2,SHI Chang-bo1,YUE Zheng-bo1

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.SchooloftheEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

Abstract:The curly-leaf pondweed, as the representative of aquatic plant biomass, was converted to bio-fuel of ethanol and methane and the energy products yields were compared. In both processes the dilute sulfuric acid pretreatment technique was applied to improving the biodegradability of the plants. The results indicated that the optimal acid pretreatment parameters for ethanol fermentation process were sulfuric acid concentration of 2%, temperature of 125 ℃ and reaction time of 2 h, and the maximum ethanol yield reached 75.70 mg/g. For the methanogenic process, the optimal pretreatment parameters were sulfuric acid concentration of 2%, temperature of 115 ℃ and reaction time of 2 h, and the maximum methane yield was 110.56 mL/g. The results of X-ray diffraction(XRD) analysis showed that the cellulose structure of curly-leaf pondweed after acid pretreatment had been damaged to some degree which depended on the treatment intensity. It was showed that the methanogenic process had a higher final energy yield and was more feasible. The results could provide some technical support for the utilization of the aquatic plants.

Keywords:curly-leafpondweed;dilutesulfuricacidpretreatment;bio-ethanol;methane

近年來(lái)研究表明水生植物可以利用水體及底泥中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)促進(jìn)濕地生態(tài)系統(tǒng)的硝化和反硝化作用的進(jìn)行,增強(qiáng)水文系統(tǒng)凈化能力,從而實(shí)現(xiàn)凈化污染水體和水生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的目的[1-5]。

當(dāng)前我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的階段,不可再生的石油等資源被快速消耗,生態(tài)環(huán)境遭到前所未有的破壞,生物可再生能源的開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)修復(fù)迫在眉睫。水生植物的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,其中纖維素和半纖維素可用于制備可再生的生物能源[6]。木質(zhì)纖維素內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)往往制約其生物過(guò)程,通常在生物利用之前需要進(jìn)行一定的預(yù)處理[7-8]。而稀酸預(yù)處理是目前最常用的方法之一[9-11]。本文以水生植物菹草為例,采取稀硫酸預(yù)處理方式,比較預(yù)處理過(guò)程對(duì)制備乙醇和甲烷過(guò)程的影響,得到了利用菹草制備生物能源的最優(yōu)處理?xiàng)l件和工藝。

1材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料和試劑

菹草取自安徽省合肥市合肥工業(yè)大學(xué)校內(nèi)某池塘,自然晾干后粉碎(<10mm),組成結(jié)構(gòu)分析見(jiàn)表1所列。纖維素酶購(gòu)自美國(guó)Sigma公司,酶活為 30U/mg。試驗(yàn)接種污泥取自合肥市華潤(rùn)啤酒廠厭氧反應(yīng)器,取回來(lái)的污泥先放入培養(yǎng)瓶中,加入適量的菹草及營(yíng)養(yǎng)液,置于30 ℃水浴鍋中培養(yǎng)馴化約半個(gè)月后作為接種污泥。營(yíng)養(yǎng)元素加入量為1mL/L,組成如下:

MgCl2·6H2O 125 g/L，NiCl2·6H2O 0.5 g/L，

CaCl21.0 g/L，NH4Mo7O240.5g/L，

CoCl2·6H2O 0.5 g/L，MnCl2·4H2O 0.5 g/L，

ZnCl20.25 g/L，CuCl2·2H2O 0.35 g/L。

表1　菹草組分分析

注:VS的測(cè)量基于總固體(totalsolid,TS)。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1　稀硫酸預(yù)處理

稀硫酸處理過(guò)程菹草質(zhì)量濃度為5g/L,預(yù)處理?xiàng)l件設(shè)置如下:硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%、4.0%、6.0%,溫度為105 、115 、125 ℃,處理時(shí)間1h和2h,共計(jì)18批次。預(yù)處理過(guò)程結(jié)束之后,溶液冷卻至室溫,使用20%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至5.0左右,并用500mL蒸餾水洗滌過(guò)濾,得到酸預(yù)處理后菹草。每組取出少量樣品,測(cè)定TS,其余的樣品裝袋冷凍保存。

1.2.2　酶解及發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置為250mL鹽水瓶,有效反應(yīng)體積為100mL。稀硫酸處理后的菹草初始TS質(zhì)量濃度為5.0g/L,纖維素酶濃度為1FPU/g,加入0.004g/L四環(huán)素,使用0.05mol/LpH值為4.8的檸檬酸緩沖溶液。以軟膠塞塞住瓶口,鋁薄皮密封,置于恒溫水浴振蕩器中,于50 ℃下進(jìn)行培養(yǎng)。72h酶解實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,離心后取上清液50mL用于乙醇發(fā)酵。酵母接種量為10%,發(fā)酵48h后測(cè)定乙醇含量。所有的實(shí)驗(yàn)組均設(shè)定2組平行樣,并設(shè)置1個(gè)空白對(duì)照組。

1.2.3　厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置為250mL鹽水瓶,有效反應(yīng)體積為100mL。每組加入酸處理后的菹草初始TS質(zhì)量濃度為5.0g/L,接種污泥TS質(zhì)量濃度為1.0g/L。營(yíng)養(yǎng)元素加入后,pH值調(diào)至6.5,用純凈水加至100mL,鼓氮?dú)?min,以軟膠塞塞住瓶口,鋁薄皮密封,置于恒溫水浴振蕩器中,于35 ℃下培養(yǎng),每組另外設(shè)置1組平行對(duì)照組。

1.3　分析方法

菹草木質(zhì)纖維素組分的測(cè)定采用范氏(VanSoest)洗滌纖維分析法。TS和VS的測(cè)定參考標(biāo)準(zhǔn)方法[12]。產(chǎn)氣量的測(cè)定采用簡(jiǎn)易玻璃注射器(50mL)排氣法收集氣體,所測(cè)得的氣體體積統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積。甲烷含量測(cè)定采用氣相色譜法(GC),使用TCD檢測(cè)器,色譜為不銹鋼填充柱,載氣為氬氣,柱前壓為0.18MPa,流速為48mL/min,進(jìn)樣口溫度、柱溫和檢測(cè)器溫度分別為120、70、120 ℃。X射線衍射分析采用日本理學(xué)制造公司生產(chǎn)的D/MAX2500V型X射線衍射儀,X光管旋轉(zhuǎn)靶為18kW臺(tái)式高頻X射線發(fā)生器,管電壓設(shè)定為40kV,頻率為25kHz,穩(wěn)定性偏差為±0.01%,采用2θ聯(lián)動(dòng)掃描,掃描范圍5°～50°。乙醇質(zhì)量比采用島津GC2010氣相色譜進(jìn)行測(cè)定,采用AOC-20i自動(dòng)進(jìn)樣裝置,色譜柱型號(hào)為Stabliwax-DA,30m×0.25mm×0.25μm,以外標(biāo)法作為色譜圖的分析方法,汽化室溫度250 ℃,FID檢測(cè)器溫度為250 ℃,采用一階程序升溫,柱溫初始溫度80 ℃,保留2min,升溫速率15 ℃/min,升至190 ℃,停留3min。

2結(jié) 果

2.1　預(yù)處理對(duì)乙醇產(chǎn)量的影響

酸處理對(duì)菹草酶解產(chǎn)乙醇的影響如圖1所示,未經(jīng)預(yù)處理的菹草發(fā)酵產(chǎn)乙醇量為(39.38±0.40)mg/g。由圖1可以看出,當(dāng)w(H2SO4)為6%,處理溫度為115 ℃且時(shí)間為1 h時(shí),其發(fā)酵乙醇產(chǎn)量達(dá)到最大(79.70 mg/g);同樣當(dāng)處理?xiàng)l件為115 ℃、4%稀硫酸、1 h時(shí),產(chǎn)量為76.26mg/g;125 ℃、2%稀硫酸、2h條件下,產(chǎn)量為75.70mg/g;以上產(chǎn)量均比對(duì)照組提高2倍左右。所有經(jīng)過(guò)稀酸預(yù)處理的樣品,乙醇產(chǎn)量均有提高,使用稀酸對(duì)木質(zhì)纖維素物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理的原理是:在高溫條件下,有利于稀酸溶出其中的半纖維素及木質(zhì)素部分,去除可溶性的雜質(zhì),達(dá)到純化菹草的目的;可提高孔隙度,為纖維素酶解及發(fā)酵開(kāi)放木質(zhì)纖維素細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)[13],以提高纖維素酶或微生物對(duì)底物中纖維素的可及度。

由圖1可知,處理時(shí)間為1h時(shí),處理溫度較低時(shí)(105、115 ℃),隨著稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,乙醇的產(chǎn)量有所增加;當(dāng)處理溫度為125 ℃時(shí),乙醇產(chǎn)量開(kāi)始隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減少。這說(shuō)明在溫度較低且時(shí)間較短的情況下,酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有利于半纖維素的降解,纖維素的結(jié)構(gòu)遭到破壞的程度增大,可以提高與酶的反應(yīng)有效結(jié)合位點(diǎn)。而處理溫度較高時(shí),過(guò)高的酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能幫助進(jìn)一步溶解半纖維素和木質(zhì)素,并且可能會(huì)在較高的溫度下加速過(guò)程中的游離羥基通過(guò)酯化作用生成硫酸氫酯,進(jìn)一步生成5-羥基糖醛一類(lèi)的反應(yīng)抑制物[14],并且這種物質(zhì)產(chǎn)生量將隨著酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加而提高,從而使還原糖含量降低。因此,底物中纖維素含量的下降,導(dǎo)致酶解發(fā)酵反應(yīng)的產(chǎn)率降低;此外,較強(qiáng)的酸預(yù)處理還可能引起已經(jīng)暴露的纖維素再結(jié)晶,這也是產(chǎn)量降低的原因之一。當(dāng)稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%時(shí),乙醇產(chǎn)量基本隨著溫度的上升而有所提高,說(shuō)明溫度的升高更多地破壞原料中木質(zhì)纖維素的超分子結(jié)構(gòu),有利于纖維素酶的作用;在稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%時(shí),乙醇產(chǎn)量在125 ℃高溫時(shí)出現(xiàn)了明顯的降低。在酸解木質(zhì)纖維素物質(zhì)的過(guò)程中,水解得到的單糖有可能在高溫高酸中進(jìn)一步發(fā)生副作用,得到副產(chǎn)物,其主要成分為有機(jī)酸、酚類(lèi)和醛類(lèi)化合物。抑制物中含量最多的是乙酸,并且這些副產(chǎn)物往往對(duì)微生物發(fā)酵過(guò)程是有害的,會(huì)降低發(fā)酵效率[15]。

圖1　乙醇產(chǎn)量與溫度、稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

在反應(yīng)時(shí)間為2h的條件下,由圖1b可以看出,在反應(yīng)溫度為125 ℃,稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),得到最大乙醇產(chǎn)量為75.70mg/g。并且在3種處理溫度下,預(yù)處理液中稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高在一定程度上均會(huì)抑制發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行,2%稀硫酸時(shí),乙醇產(chǎn)量平均達(dá)到68.19mg/g;文獻(xiàn)[16]指出稀酸有效溶解去除半纖維素部分的過(guò)程,只適用于高溫預(yù)處理短暫時(shí)間,或者長(zhǎng)時(shí)間的低溫處理,并且通常高溫處理較短的時(shí)間可以獲得更高的可溶性木糖和酶解發(fā)酵產(chǎn)率。在稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%時(shí),預(yù)處理的促進(jìn)效果最不理想,不同溫度下的乙醇產(chǎn)量均在60mg/g左右。這也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[16]的結(jié)論,處理時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),高溫預(yù)處理不適宜使用較高的稀酸質(zhì)量分?jǐn)?shù);而在處理溫度和時(shí)間都較低時(shí),可以通過(guò)增加稀硫酸催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)提高預(yù)處理程度。

2.2　預(yù)處理對(duì)產(chǎn)甲烷效率的影響

累積甲烷產(chǎn)量與溫度、稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖2所示。未經(jīng)預(yù)處理的菹草同等條件厭氧發(fā)酵最終累計(jì)甲烷產(chǎn)量為(67.68±4.69)mL/g,從圖2可以看出,將處理組與對(duì)照組進(jìn)行比較分析,大多數(shù)處理組的產(chǎn)氣量明顯高于對(duì)照組,最佳處理組(2%稀硫酸,115 ℃處理2h)的累積產(chǎn)甲烷量為110.56mL/g,比對(duì)照組高出82.27%。處理?xiàng)l件為2%、105 ℃、2h時(shí),累計(jì)甲烷產(chǎn)量也可達(dá)到105.09mL/g。結(jié)果中顯示有幾組稀硫酸預(yù)處理累積產(chǎn)甲烷量比對(duì)照組低,可能是由于菹草被降解而纖維素依然被包裹在里面,影響了沼氣的產(chǎn)量。

圖2　累積甲烷產(chǎn)量與溫度、稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖2a可知,處理時(shí)間為1h時(shí),在稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%和4%的情況下, 累積產(chǎn)甲烷量隨著溫度的升高均有明顯降低，當(dāng)預(yù)處理溫度為105 ℃時(shí),累積產(chǎn)甲烷量可分別達(dá)到91.61mL/g及83.68mL/g,隨著溫度的繼續(xù)升高,累計(jì)產(chǎn)甲烷量迅速下降到60mL/g以下。當(dāng)稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí),累計(jì)產(chǎn)甲烷量降低得較明顯,當(dāng)處理溫度為105、125 ℃時(shí)，累計(jì)產(chǎn)甲烷量維持在69mL/g左右，而處理溫度為115 ℃時(shí)，累計(jì)產(chǎn)甲烷量下降至50mL/g以下。當(dāng)稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí),處理溫度為105 ℃時(shí)甲烷產(chǎn)量最大。

圖2b顯示,當(dāng)處理時(shí)間為2h時(shí),溫度一定,累積產(chǎn)甲烷量隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而均有所降低。115℃的預(yù)處理最利于產(chǎn)甲烷過(guò)程的進(jìn)行,不同稀硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下得到累積產(chǎn)甲烷量分別為110.56 、93.25、83.38mL/g。當(dāng)處理溫度為125 ℃,硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%和6%時(shí),1h的累計(jì)產(chǎn)氣量高于2h;而其他情況下,則2h的累積產(chǎn)氣量均高于1h。這說(shuō)明處理時(shí)間越長(zhǎng),菹草的結(jié)構(gòu)破壞程度越高,菹草中的纖維素越多地暴露在外面,分解率越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,預(yù)處理后菹草中厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的最優(yōu)條件應(yīng)該是在經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)盡可能延長(zhǎng)處理時(shí)間并且降低預(yù)處理液中稀硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù),所以?xún)?yōu)先選擇2%稀硫酸和2h的處理時(shí)間。有關(guān)稀磷酸對(duì)不同生物質(zhì)的化學(xué)預(yù)處理的研究有很多。文獻(xiàn)[17-22]的結(jié)果表明較高的磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2%～6%)下,低溫長(zhǎng)時(shí)間的處理?xiàng)l件相對(duì)更有效。由于磷酸比硫酸價(jià)格要昂貴得多,在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中更多選擇使用硫酸作為催化劑。

稀硫酸預(yù)處理能夠破壞纖維素物質(zhì)結(jié)構(gòu),減小底物粒徑,降低粒徑大小有利于纖維素酶與纖維素的有效接觸從而提高反應(yīng)效率[23]。但是在厭氧降解產(chǎn)氣的過(guò)程中,研究表明并不是粒徑越小,產(chǎn)氣量越大。文獻(xiàn)[24]對(duì)秸稈進(jìn)行簡(jiǎn)單的切分和粉碎處理,結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單切分的秸稈累積產(chǎn)甲烷量較高。文獻(xiàn)[25]對(duì)水葫蘆使用同樣的方式處理,得到的結(jié)論類(lèi)似。文獻(xiàn)[26]關(guān)于酸預(yù)處理對(duì)水稻秸稈沼氣發(fā)酵的影響研究中,6%硫酸預(yù)處理具有最佳的產(chǎn)氣效果,此時(shí)的處理?xiàng)l件為20 ℃恒溫恒濕箱中預(yù)處理30d。較高溫度和硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的反應(yīng)程度會(huì)有一定的加劇,可能造成稻稈充分降解,干物質(zhì)損失過(guò)多,另一方面也可能產(chǎn)生一些抑制厭氧發(fā)酵微生物的物質(zhì),如糠醛、酚類(lèi)物質(zhì)等,這些都將影響生物利用過(guò)程。

2.3　 X射線衍射分析

稀酸預(yù)處理前后菹草X射線衍射圖如圖3所示。其中,曲線a為菹草經(jīng)105 ℃,2%稀硫酸處理1h;曲線b為菹草經(jīng)125 ℃,2%稀硫酸處理2h;曲線c為菹草經(jīng)125 ℃,6%稀硫酸處理2h;曲線d為原始菹草未經(jīng)處理。

圖3　稀酸預(yù)處理前后菹草 X射線衍射圖

由圖3可以看出,菹草稀酸預(yù)處理保持甚至引起了結(jié)晶度的升高。纖維結(jié)構(gòu)的無(wú)定型區(qū)比例減小,表現(xiàn)在結(jié)晶度有所增大;原有的纖維結(jié)構(gòu)受到破壞,有利于提高纖維酶解發(fā)酵效率和累積沼氣產(chǎn)量。有研究證明,稀酸預(yù)處理對(duì)木質(zhì)纖維素的結(jié)晶度的影響具有雙重效應(yīng)[27]:其一是稀酸處理后使纖維素與木質(zhì)素、半纖維素等分離開(kāi),將無(wú)定形區(qū)的木質(zhì)素和半纖維素組分除去,提高了木質(zhì)纖維素的結(jié)晶度;其二是稀酸處理能通過(guò)潤(rùn)脹作用解開(kāi)一些高度結(jié)合在一起的結(jié)晶結(jié)構(gòu),將纖維素內(nèi)部氫鍵打斷,使結(jié)晶度下降。因而,稀酸處理過(guò)程中木質(zhì)纖維素結(jié)晶度的變化依賴(lài)于這兩重效應(yīng)的作用強(qiáng)弱。

一般來(lái)說(shuō),纖維素結(jié)晶度的下降將更有利于被纖維素酶水解,但從結(jié)果中可以看出結(jié)晶度并不是影響菹草酶解最重要的因素,從圖2可知,菹草在酸預(yù)處理?xiàng)l件下,盡管結(jié)晶度比未處理之前有一定升高,但纖維素酶解率仍比未處理的酶解率均有增高,可以判定對(duì)于菹草木質(zhì)素含量和木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響更為顯著。

2.4　產(chǎn)能比較

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以乙醇和甲烷產(chǎn)率為目標(biāo),獲得了酸處理的最佳條件,見(jiàn)表2所列。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后乙醇產(chǎn)量比對(duì)照組高出92.25%～102.41%,累計(jì)甲烷產(chǎn)量比對(duì)照組提高44.22%～63.36%。不同預(yù)處理參數(shù)組合都可以達(dá)到最大量(彼此差異不顯著),產(chǎn)甲烷過(guò)程可以獲得的熱能為3.89～4.41kJ/g,遠(yuǎn)高于產(chǎn)乙醇過(guò)程。因此,厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷更適宜于菹草的資源化利用,可以通過(guò)經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的預(yù)處理?xiàng)l件(2%稀硫酸,115 ℃處理2h)獲得最高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值產(chǎn)出,即每克菹草(干質(zhì)量)可獲得4.41kJ能量。

表2　最優(yōu)條件下菹草不同發(fā)酵方法的產(chǎn)能量

注:乙醇燃燒熱為1 366.8kJ/mol;甲烷燃燒熱為890.31kJ/mol。

3結(jié)論

酸處理能夠有效地提高菹草制備乙醇的產(chǎn)率,最優(yōu)的預(yù)處理?xiàng)l件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%,溫度125 ℃、時(shí)間2h,乙醇產(chǎn)率達(dá)75.7mg/g,比空白組提高92.25%。而對(duì)于產(chǎn)甲烷過(guò)程,最優(yōu)的預(yù)處理?xiàng)l件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、溫度115 ℃、時(shí)間2h時(shí),每克菹草通過(guò)厭氧發(fā)酵可得到累計(jì)產(chǎn)甲烷量110.56mL,比空白組提高約63.36%。XRD分析結(jié)果顯示稀酸預(yù)處理后菹草纖維素結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞。生物能源產(chǎn)生的熱值分析表明厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程更適于水生植物的資源化。

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(責(zé)任編輯張淑艷)