木聚糖酶對(duì)牛糞厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響

張陳 CAMARA ZOUMANA 蘇有勇

摘要 為了提升牛糞產(chǎn)沼氣性能，通過(guò)批式厭氧干發(fā)酵的方式考察木聚糖酶對(duì)牛糞產(chǎn)沼氣的影響。在發(fā)酵溫度55 ℃，總固體物（TS）濃度為40%，接種物含量30%，添加原料質(zhì)量1%的木聚糖酶來(lái)進(jìn)行牛糞厭氧干發(fā)酵。結(jié)果表明，木聚糖酶的添加不能縮短產(chǎn)沼氣周期，但能提升沼氣產(chǎn)量。試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量為9.9 L，比對(duì)照組提升了22%，原料產(chǎn)氣率為0.25 L/g，池容產(chǎn)氣率為0.73 m3/（m3·d）。產(chǎn)氣過(guò)程與一般原料產(chǎn)氣過(guò)程類似，但發(fā)酵周期較長(zhǎng)。該試驗(yàn)結(jié)果為牛糞的高效利用提供了一個(gè)有效途徑。

關(guān)鍵詞 牛糞;木聚糖酶;干發(fā)酵;產(chǎn)氣率

中圖分類號(hào) S 216.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）20-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.058

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effect of Xylanase on the Biogas Production by Anaerobic Dry Fermentation of Cow Manure

ZHANG Chen，CAMARA ZOUMANA，SU You-yong （Faculty of Agriculture and Food，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan? 650504）

Abstract In order to improve the biogas production performance of cow manure，the effects of xylanase on the biogas production of cow manure were investigated by batch anaerobic dry fermentation.Under the conditions of the fermentation temperature 55 ℃，total solids（TS） concentration 40%，inoculant content 30%，1% of xylanase was added to make anaerobic dry fermentation of cow manure.The results showed that the addition of xylanase could not shorten the biogas cycle，but it could improve the biogas production.The cumulative biogas production of the experimental group was 9.9 L，which increased by 22% than that of the control group.The biogas yield of raw materials was 0.25 L/g，and volumetric biogas yield was 0.73 m3/（m3· d）.The biogas production process was similar to that of general raw materials，but the fermentation cycle was longer.This experiment results provided an effective way for the efficient use of cow manure.

Key words Cow manure;Xylanase;Dry fermentation;Biogas yield

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51466004）。

作者簡(jiǎn)介 張陳（1995—），男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)能和分子生物學(xué)。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)能源研究。

收稿日期 2021-02-03

近年來(lái)，隨著國(guó)民生活水平的提高，畜牧業(yè)得到前所未有的發(fā)展。2015年我國(guó)奶牛存欄量約1 200萬(wàn)頭，在2020年養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)的畜禽糞便將超過(guò)40億t，每年產(chǎn)生大量的牛糞，但利用率低[1-3]。牛糞中含有很多未被利用的氮磷鉀和轉(zhuǎn)化積累的硫化物等有害物質(zhì)，對(duì)周圍水體、土地和空氣造成嚴(yán)重的污染[4-5]。但是，牛糞富含粗纖維和有機(jī)質(zhì)，碳氮比接近20∶1～30∶ 是厭氧發(fā)酵的優(yōu)質(zhì)原料來(lái)源[6-8]。牛糞中的纖維素含量限制著牛糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣性能。纖維素是一種由β-D吡喃葡糖糖通過(guò)1-4糖苷鍵組成的無(wú)支鏈結(jié)構(gòu)[9]，一般被半纖維素和木質(zhì)素包裹[10-11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)破壞木質(zhì)纖維素之間的交聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)增加發(fā)酵微生物與原料之間的可及性，主要是通過(guò)物理、化學(xué)或生物3種方式。Sapci[12]通過(guò)微波預(yù)處理農(nóng)作物秸稈，對(duì)產(chǎn)沼氣性能沒(méi)有明顯的提升。He等[13]通過(guò)添加6%的NaOH預(yù)處理水稻秸稈，使產(chǎn)氣率提

升了27.3%～64.5%，并從原料結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)闡述了NaOH預(yù)處理對(duì)原料的影響。Wang等[14]利用黑

曲霉產(chǎn)生的纖維素酶預(yù)處理玉米秸稈，使沼氣產(chǎn)率提升

36.9%。這些方式

都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，物理法和化學(xué)法對(duì)環(huán)境或設(shè)備都有一定的破壞作用，生物法有作用緩慢、成本高等特點(diǎn)，從而使纖維素類原料在用作產(chǎn)沼氣時(shí)還有很大的提升空

間。該試驗(yàn)所用的木聚糖酶能降解大部分植物組織中的木聚糖，而木聚糖是半纖維素的主要成分，木聚糖被認(rèn)為維持植物纖維內(nèi)聚結(jié)構(gòu)完整性的重要成分。Collins等[15]和邢玲等[16]通過(guò)添加木聚糖酶水解玉米芯提高了單糖的得率，這也說(shuō)明在牛糞處理中添加木聚糖酶的可行性。筆者通過(guò)發(fā)酵過(guò)程中添加木聚糖酶來(lái)考察對(duì)產(chǎn)沼氣性能的影響，以期通過(guò)添加木聚糖酶促進(jìn)產(chǎn)沼氣性能，并通過(guò)干發(fā)酵的方式節(jié)減少?gòu)U水處理，解決當(dāng)前環(huán)境污染的現(xiàn)狀并且緩解當(dāng)前能源危機(jī)。

1 材料與方法

1.1 材料

牛糞：收集云南省昆明市附近養(yǎng)殖場(chǎng)新鮮牛糞，用保鮮袋封口，備用。接種物：取自昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與能源工程研究室豬糞發(fā)酵結(jié)束后的活性污泥。原料基本特性見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

批量發(fā)酵試驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自制沼氣發(fā)酵裝置，具體裝置如圖1所示，主要由恒溫水槽、發(fā)酵瓶和集氣裝置組成。恒溫水槽用溫控儀連接著加熱棒和溫度傳感器構(gòu)成，水槽底部的循環(huán)水泵用于保持整個(gè)水槽水溫一致。用1 L容積的玻璃瓶作為發(fā)酵瓶，瓶蓋上有放氣閥和軟管作導(dǎo)氣管連接到集氣裝置，集氣裝置外側(cè)粘有經(jīng)過(guò)標(biāo)定的刻度線，用于讀取產(chǎn)氣量。

1.3 試驗(yàn)方案 試驗(yàn)總發(fā)酵體系為400 g，TS含量為40%，接種物含量為30%，用沼液補(bǔ)足質(zhì)量。水解酶添加量為原料的1%，即添加2.56 g。該試驗(yàn)設(shè)置1個(gè)空白對(duì)照組和2個(gè)平行試驗(yàn)組，具體物料添加見(jiàn)表2。發(fā)酵溫度在沼氣發(fā)酵能正常產(chǎn)氣的前提下，接近水解酶的最適溫度，由于該試驗(yàn)添加的水解酶是木聚糖酶，為了達(dá)到最佳酶活效果，故發(fā)酵溫度設(shè)置為（55±1）℃。發(fā)酵啟動(dòng)前和發(fā)酵結(jié)束測(cè)定發(fā)酵體系的TS、揮發(fā)性固體物（VS）和pH，發(fā)酵過(guò)程中測(cè)定每日沼氣產(chǎn)量，由于發(fā)酵總固體物含量較高，每天2次搖勻發(fā)酵瓶。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 物料TS和VS含量的測(cè)定。參考文獻(xiàn)[17]的方法測(cè)定物料TS和VS含量。

1.4.2 pH的測(cè)定。使用pHS-3C酸度計(jì)測(cè)定pH。

1.4.3 產(chǎn)氣量。根據(jù)儲(chǔ)氣罐上的刻度確定產(chǎn)氣量。

2 結(jié)果與分析

2.1 木聚糖酶的添加對(duì)產(chǎn)氣量的影響

此次發(fā)酵共38 d，每天測(cè)得的產(chǎn)沼氣量取平均值，繪制折線圖，如圖2所示。從圖2可以看出，試驗(yàn)組和對(duì)照組均出現(xiàn)2個(gè)產(chǎn)氣高峰，此后日產(chǎn)氣量逐漸降低，這與大多數(shù)原料的產(chǎn)氣規(guī)律類似。在第1天出現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)氣高峰，此后日產(chǎn)氣量減少，試驗(yàn)組和對(duì)照組分別在第5天和第6天出現(xiàn)第2次產(chǎn)氣高峰，且均高于第1次產(chǎn)氣高峰，這與一般原料的產(chǎn)氣規(guī)律不同，在易降解原料中第1次產(chǎn)氣高峰明顯高于第2次產(chǎn)氣高峰。劉榮厚等[18]利用蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣第1次產(chǎn)氣高峰約為第2次產(chǎn)氣高峰的5倍。該試驗(yàn)所用的原料木質(zhì)纖維素類原料占27.88%，發(fā)酵前期水解產(chǎn)酸階段水解產(chǎn)酸類菌株增殖較慢，揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量少，導(dǎo)致產(chǎn)氣類菌株原料利用不足，產(chǎn)氣量較少。此次發(fā)酵后期較長(zhǎng)，試驗(yàn)組從第2次產(chǎn)氣高峰到發(fā)酵結(jié)束產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的89.0%，對(duì)照組也達(dá)到80.6%，這也與牛糞中木質(zhì)纖維素類含量較多有關(guān)。

從整個(gè)發(fā)酵周期來(lái)看，木聚糖酶的添加沒(méi)有明顯加速厭氧干發(fā)酵，但添加木聚糖酶的試驗(yàn)組日產(chǎn)氣量普遍高于對(duì)照組，尤其是第1個(gè)產(chǎn)氣高峰，可見(jiàn)木聚糖酶能促進(jìn)日產(chǎn)氣量的提升。

試驗(yàn)期間累計(jì)產(chǎn)氣量的變化見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，試驗(yàn)組和對(duì)照組在發(fā)酵周期前4 d差別不大，從第5天開(kāi)始試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量大于對(duì)照組。試驗(yàn)組和對(duì)照組均緩慢增加至發(fā)酵結(jié)束，試驗(yàn)組累計(jì)產(chǎn)氣量為9.9 L，而對(duì)照組約8.1 L，說(shuō)明木聚糖酶的添加有利于沼氣產(chǎn)量。發(fā)酵初期可能是由于發(fā)酵體系不穩(wěn)定，pH、溫度等因素降低酶的活性，導(dǎo)致二者累計(jì)產(chǎn)氣量差別不大。

2.2 木聚糖酶的添加對(duì)產(chǎn)氣率的影響

從圖4可以看出，TS產(chǎn)氣率、池容產(chǎn)氣率與累計(jì)產(chǎn)氣量均成正比，符合一般產(chǎn)沼氣規(guī)律。試驗(yàn)組TS產(chǎn)氣率、池容產(chǎn)氣率和累計(jì)產(chǎn)氣量均大于對(duì)照組，說(shuō)明木聚糖酶的添加能增加產(chǎn)沼氣性能。原料產(chǎn)氣率能反映出原料轉(zhuǎn)化成沼氣的效率，試驗(yàn)組產(chǎn)氣率為0.25 L/g，略高于對(duì)照組，但比其他原料偏低，說(shuō)明通過(guò)添加水解酶來(lái)促進(jìn)牛糞干發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能還有很大的空間。池容產(chǎn)氣率一般反映利用單位發(fā)酵體積單位時(shí)間所產(chǎn)沼氣的性能，更能直觀反映發(fā)酵空間利用率和時(shí)間利用率。由于此次發(fā)酵為干發(fā)酵，所以比一般濕發(fā)酵的空間利用率高。該研究中試驗(yàn)組的池容產(chǎn)氣率為0.73 m3/（m3·d），高于一般文獻(xiàn)所報(bào)道的池容產(chǎn)氣率[19-20]。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)主要考察木聚糖酶的添加對(duì)牛糞厭氧干發(fā)酵的影響，得到以下結(jié)論：

（1）是否添加木聚糖酶沒(méi)有明顯加速牛糞厭氧干發(fā)酵的周期，且與其他原料相比產(chǎn)沼氣周期較長(zhǎng)。

（2）試驗(yàn)組和對(duì)照組均符合一般原料的產(chǎn)沼氣規(guī)律。從累計(jì)產(chǎn)氣量、原料產(chǎn)氣率和池容產(chǎn)氣率來(lái)看，木聚糖酶的添加能提升產(chǎn)沼氣性能。

該試驗(yàn)結(jié)果表明，提升牛糞厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能還有較大的提升空間，至少在縮短產(chǎn)沼氣周期上還有一些工作可以進(jìn)行。面對(duì)越來(lái)越多的原料冗余，對(duì)環(huán)境的壓力也不容小覷，通過(guò)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣能緩解一部分環(huán)境污染和能源短缺的問(wèn)題。

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