NaOH與超聲聯(lián)合預(yù)處理玉米秸稈實驗條件優(yōu)化研究

王 雪， 蘇小紅， 陸 佳， 劉 澤， 劉 偉*

(1. 黑龍江省科學(xué)院， 哈爾濱 150001； 2. 黑龍江省能源環(huán)境研究院， 哈爾濱 150022)

我國是玉米種植大國，2021年我國玉米種植面積預(yù)計達(dá)到4000萬畝[1]，在為食品、飼料等領(lǐng)域提供豐富原料的同時，產(chǎn)生了大量的玉米秸稈。據(jù)測算，我國2020～2021年度玉米秸稈的產(chǎn)量約為2.65億t[2-3]，如無序或簡單利用，體現(xiàn)不出玉米秸稈的可利用價值，還可能引發(fā)環(huán)境污染。利用玉米秸稈經(jīng)厭氧發(fā)酵制備生物能源已成為其高值化利用的方式之一，即可供給清潔的沼氣能源，又能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)肥料，還能實現(xiàn)碳減排[4-8]，一直受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而，由于玉米秸稈特殊的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，使得其直接厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的效率較低，必須對其進(jìn)行預(yù)處理才能進(jìn)行高效利用。

玉米秸稈的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素經(jīng)過碳鏈相互交聯(lián)在一起，具有空間結(jié)構(gòu)難破解的特征，使得發(fā)酵微生物很難對其進(jìn)行利用[9-11]。常用的預(yù)處理方法包括化學(xué)、物理、生物等方法[12-13]。在這些預(yù)處理方法中，堿預(yù)處理通過使秸稈纖維內(nèi)部的氫鍵結(jié)合變?nèi)?，從而破壞木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，便于纖維素、半纖維素的后續(xù)利用[14-17]；超聲預(yù)處理可通過共振破壞秸稈纖維中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的效果[18-21]。本試驗基于前期研究，將堿預(yù)處理與超聲預(yù)處理聯(lián)合作用于玉米秸稈，并與單一預(yù)處理在還原糖含量、三素變化量、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣等方面進(jìn)行對比分析。以期得到各種預(yù)處理的最佳條件，為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗采用自然條件下風(fēng)干的玉米秸稈作為試驗材料。取自黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)松花江村的玉米農(nóng)田，經(jīng)粉碎成2～3 cm的小段。接種物選擇黑龍江省能源環(huán)境研究院正在運行的中試平臺厭氧發(fā)酵罐中的沼液。實驗中所有試劑均為分析純。玉米秸稈理化性質(zhì)如表1。

表1 玉米秸稈理化性質(zhì) (%)

實驗設(shè)備：KQ-200KDE型高功率數(shù)控超聲破碎儀，AMPTS II全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)，GZX-9140MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，SX-4-10型箱式電阻爐控制箱，ANKOM 200i半自動纖維分析儀，UV8000型紫外可見分光光度計。

1.2 試驗方法

1.2.1 NaOH預(yù)處理試驗

在室溫條件下，稱取3 g玉米秸稈放在250 mL燒杯中，分別加入不同濃度的NaOH溶液(1%，2%，4%，6%，8%)，在不同的揮發(fā)性固體含量(Vs)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8，10，12，15，18)下浸泡，浸泡時間(1 d，2 d，3 d，4 d，5 d)，測定玉米秸稈的還原糖含量，研究最佳的NaOH預(yù)處理試驗條件，以未經(jīng)過預(yù)處理的玉米秸稈為對照組，用最佳單因素預(yù)處理試驗結(jié)果做正交優(yōu)化試驗。

1.2.2 超聲預(yù)處理試驗

在室溫條件下，稱取3 g玉米秸稈放在250 mL燒杯中，采用不同的超聲溫度(15℃，30℃，45℃，60℃)、超聲時間(5 min，10 min，15 min，20 min)、超聲功率(100W，120W，140W，160W)進(jìn)行玉米秸稈還原糖含量測定，研究最佳的超聲預(yù)處理條件，以未經(jīng)過預(yù)處理的玉米秸稈為對照組，用最佳單因素預(yù)處理試驗結(jié)果做正交優(yōu)化試驗。

1.2.3 NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理優(yōu)化試驗

根據(jù)NaOH預(yù)處理和超聲預(yù)處理正交試驗得到的最佳結(jié)果，以影響還原糖含量的主要因素為輸入變量，以還原糖含量為指標(biāo)，采用Design Expert 11軟件，根據(jù)Box-behnken設(shè)計優(yōu)化NaOH和超聲聯(lián)合預(yù)處理條件試驗。

1.2.4 厭氧發(fā)酵試驗

將NaOH預(yù)處理,超聲預(yù)處理,NaOH和超聲聯(lián)合預(yù)處理后的玉米秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷試驗。發(fā)酵單元采用500 mL廣口瓶，有效容積400 mL，發(fā)酵溫度為55℃，發(fā)酵在中性條件下進(jìn)行，發(fā)酵周期為15 d，并以未經(jīng)處理的秸稈作為對照試驗組，每個處理均設(shè)置3個平行，每天記錄產(chǎn)氣含量。

1.3 檢測指標(biāo)及分析方法

干物質(zhì)含量(Ts含量)測定：烘干法(電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，104℃下烘4 h)；揮發(fā)性固體含量(VS含量)測定：烘干法(馬弗爐中600℃下烘2 h)；纖維素、半纖維素及木質(zhì)素測定：半自動纖維分析儀分析；還原糖含量測定：DNS(3，5-二硝基水楊酸)比色法[22]；甲烷日產(chǎn)量及累積產(chǎn)量：AMPTS II系統(tǒng)測得。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaOH預(yù)處理對秸稈還原糖含量的影響

2.1.1 NaOH濃度,VS,浸泡時間對秸稈還原糖含量的影響

在VS值為12%、浸泡時間為3 d的條件下，考察NaOH濃度對還原糖含量的影響如圖1。當(dāng)NaOH濃度為2%時，糖含量最高，糖含量為0.0799 g·g-1。但當(dāng)NaOH濃度升高時，還原糖的含量呈下降趨勢，這可能是由于有部分葡萄糖發(fā)生脫水反應(yīng)生成了抑制物5-羥甲基糠醛、糠醛等[23-24]。

圖1 NaOH濃度對還原糖含量的影響

在NaOH濃度為2%、浸泡時間為3 d的條件下，考察VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對還原糖含量的影響如圖2。由圖可知，VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12時最佳，還原糖含量為0.0796 g·g-1。在相同NaOH濃度下，還原糖含量相差很小，說明VS不是影響秸稈還原糖含量的主要因素。

圖2 VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對還原糖含量的影響

在NaOH濃度為2%,VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12的條件下，考察了浸泡時間變量對還原糖含量影響如圖3。從圖可知，隨著浸泡時間的增加，還原糖含量隨之增加，當(dāng)浸泡時間為3 d時，還原糖含量達(dá)到最大值0.0764 g·g-1；但隨著浸泡時間繼續(xù)增加，還原糖含量呈下降趨勢。這是由于隨著浸泡時間的增加，玉米秸稈在堿性環(huán)境中產(chǎn)生了抑制后續(xù)發(fā)酵的副產(chǎn)物，如5-羥甲基糠醛等，從而影響還原糖含量[25]。

圖3 浸泡時間對還原糖含量的影響

2.1.2 NaOH預(yù)處理正交優(yōu)化試驗

為了找出最適宜的NaOH預(yù)處理條件組合，在確定各預(yù)處理單因子對玉米秸稈糖化效果影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計3因素3水平的正交試驗。采用L9(33)正交表考察各因素之間的相互作用，得到9個正交試驗組，結(jié)果見表2。由表可知，最佳NaOH預(yù)處理條件為2%NaOH濃度、VS為11%、浸泡時間為2.5 d。3個因素對玉米秸稈處理影響順序RA>RC>RB，即NaOH濃度>浸泡時間>VS，以2%NaOH濃度、VS為11%、浸泡時間為2.5 d進(jìn)行驗證性試驗，還原糖含量為0.0837 g·g-1，高于正交試驗表中所有試驗。

表2 NaOH溶液預(yù)處理秸稈正交試驗結(jié)果

對NaOH預(yù)處理前后玉米秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量進(jìn)行測定，結(jié)果見表3。從表3可知，經(jīng)過NaOH預(yù)處理秸稈的半纖維素和木質(zhì)素含量降低，而纖維素含量升高。半纖維素含量從29.25%降低到21.24%；木質(zhì)素含量從9.18%降低至3.92%；纖維素含量從44.46%升高到52.88%。這是由于半纖維素和木質(zhì)素是堿溶性的，隨著NaOH的濃度增加，半纖維素和木質(zhì)素含量隨之減少[26]；經(jīng)過NaOH預(yù)處理后的秸稈纖維素相對含量增加，這是由于半纖維素和木質(zhì)素含量減少，導(dǎo)致纖維素占比增加，同時包裹在纖維素表面的木質(zhì)素被降解，使其部分裸露出來，增大與底物的接觸面積，有利于提高還原糖的含量。

表3 NaOH預(yù)處理玉米秸稈組分含量 (%)

2.2 超聲預(yù)處理對秸稈還原糖得率的影響

2.2.1 超聲溫度、時間、功率對秸稈還原糖含量的影響

在超聲時間為10 min、超聲功率為140 W的條件下，考察超聲溫度對還原糖含量的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時，玉米秸稈糖含量達(dá)到最大值0.0787 g·g-1。反應(yīng)溫度升高，能加速破壞秸稈纖維素的結(jié)晶度，使秸稈纖維結(jié)構(gòu)疏松，加速木質(zhì)素的溶解，提高了秸稈的預(yù)處理效率。

圖4 超聲溫度對還原糖含量的影響

在超聲溫度為45℃及超聲功率為140 W條件下，考察超聲時間對秸稈預(yù)處理的影響，實驗結(jié)果如圖5所示。從圖可知，超聲時間越長，還原糖含量越高。當(dāng)超聲時間為20 min時，還原糖含量最高為0.0694 g·g-1。這可能是由于超聲可破壞秸稈結(jié)構(gòu)，超聲時間越長，其結(jié)構(gòu)破損越嚴(yán)重，進(jìn)而使可轉(zhuǎn)化的還原糖含量增加。

圖5 超聲時間對還原糖含量的影響

在超聲溫度為45℃及超聲時間為10 min條件下，考察超聲功率對玉米秸稈預(yù)處理效果的影響，實驗結(jié)果如圖6所示。當(dāng)超聲功率為100 W時，還原糖含量最大0.0781 g·g-1。隨著超聲功率的提升，還原糖含量反之下降，這是由于超聲功率升高破壞了還原糖的分子結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致還原糖含量下降。

圖6 超聲功率對還原糖含量的影響

2.2.2 超聲預(yù)處理優(yōu)化試驗

為了尋找最適宜的超聲預(yù)處理條件組合，在確定各預(yù)處理單因子對玉米秸稈糖化效果影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計3因素3水平的正交試驗。采用L9(33)正交表考察各因素之間的相互作用，得到9個正交試驗組，試驗結(jié)果(見表4)。有表可知，最佳超聲預(yù)處理條件為超聲時間為22 min,超聲溫度為60℃,超聲功率為80 W。3個因素對玉米秸稈預(yù)處理影響順序RC>RB>RA，即超聲功率>超聲溫度>超聲時間，以超聲時間為22 min、超聲溫度為60℃、超聲功率為80 W進(jìn)行驗證性試驗，還原糖含量為0.0786 g·g-1，高于正交試驗表中所有試驗。

表4 超聲預(yù)處理秸稈正交試驗結(jié)果

從表5可知，超聲預(yù)處理對秸稈組分含量的變化有一定的影響，其中，半纖維素和木質(zhì)素的含量較對照組降低，而纖維素含量升高。半纖維素含量從29.25%最低降至27.17%，木質(zhì)素含量從9.18%最低降至8.05%。這是由于低頻超聲波產(chǎn)生有規(guī)律而溫和的空化泡，其所形成的空化泡在破裂時產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊可有效提高玉米秸稈中半纖維素和木質(zhì)素的溶出速度，使得半纖維素和木質(zhì)素含量下降，超聲對纖維素組分作用不大，纖維素的占比增加導(dǎo)致其相對含量略有增加。

表5 超聲預(yù)處理玉米秸稈組分含量 (%)

2.3 NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理響應(yīng)面優(yōu)化試驗

2.3.1 試驗設(shè)計與結(jié)果

根據(jù)Design-Expert 11 軟件中的Box-Behnken設(shè)計原理，以處理前后秸稈還原糖含量變化為試驗指標(biāo)，選取NaOH與超聲波優(yōu)化后的A(NaOH濃度/%)，B(浸泡時間/h)，C(超聲功率/W)，D(超聲溫度/℃)4個因素為自變量，設(shè)計4因素3水平的響應(yīng)面正交試驗。分析試驗組24個，誤差估計試驗組5個。試驗因素水平見表6及試驗設(shè)計與結(jié)果見表7。

表6 試驗因素水平表

表7 聯(lián)合預(yù)處理試驗設(shè)計與結(jié)果

從表8可知，預(yù)處理前后玉米秸稈組分含量變化顯著，NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理后的秸稈中半纖維素、木質(zhì)素含量均較其他實驗組有所降低，半纖維素相對于單一超聲預(yù)處理組下降了的1.7倍，相對于單一NaOH預(yù)處理組下降了6.7倍，相對于未處理組下降了8.4倍；木質(zhì)素含量降低了，是超聲預(yù)處理組的1.1倍，是NaOH預(yù)處理木質(zhì)素降低含量的5.1倍，是未處理組的6.8倍。而聯(lián)合預(yù)處理后秸稈中纖維素含量，相比超聲預(yù)處理纖維素提高了1.2倍，相比NaOH預(yù)處理纖維素提高了1.8倍，相比未處理組纖維素提高了2.2倍。從上述數(shù)據(jù)可知，NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理的秸稈比單一預(yù)處理的秸稈效果好。

表8 聯(lián)合預(yù)處理玉米秸稈組分含量 (%)

2.3.2 模型方差分析

由表9可得知，模型決定系數(shù)R2為0.8405，表明該模型能夠反映還原糖含量的響應(yīng)情況，擬合的情況適合該試驗，利用該模型分析還原糖含量可行。模型變異系數(shù)為3.04%，小于上限值10%，說明模型可信度高。信噪比為9.6302，大于下限值4，說明模型平均預(yù)測誤差小，擬合度好[27]。

表9 數(shù)學(xué)模型R2分析

回歸模型方差分析結(jié)果見表10?；貧w方差分析顯著性檢驗表明，該回歸模型p<0.0001，方程模型達(dá)到顯著，失擬項p=0.4060>0.05，不顯著，說明該模型的擬合程度較好，試驗誤差小。因此該回歸方程模型成立，可以用此模型對玉米秸稈還原糖含量進(jìn)行分析及預(yù)測。根據(jù)F值的大小可以判斷各因素影響效果的主次，F(xiàn)值越大，則對應(yīng)因素的影響越主要。從方差分析結(jié)果可以看出，A(NaOH濃度/%)，B(浸泡時間/h)，C(超聲功率/W)，D(超聲溫度/℃)的F值分別為37.34,0.5215,1.36，0.3599，所以4個因素對糖含量變化影響主次順序為A(NaOH濃度/%)>C(超聲功率/W)>B(浸泡時間/h)>D(超聲溫度/℃)。交互因素AD的概率P=0.0329<0.05,說明AD為顯著影響因素，其他交互因素大于0.05，無統(tǒng)計學(xué)差異。對回歸方差分析數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到自變量與糖含量(Y)的二次多項回歸方程為:

表10 試驗結(jié)果方差分析

Y=+0.0870+0.0046A-0.0005B-0.0009C+0.0004D-0.0025AB-0.0010AC-0.0007AD+0.0031BC+0.0013BD+0.0011CD-0.0031A2+0.0019B2-0.0000C2-0.0027D2

2.3.3 雙因素交互作用分析

為了直觀地展現(xiàn)預(yù)處理因素對糖含量的影響，根據(jù)回歸方程，對A(NaOH濃度/%),B(浸泡時間/h),C(超聲功率/W),D(超聲溫度/℃)交互作用項找出了3個交互作用對糖含量影響的響應(yīng)面圖，考察擬合響應(yīng)曲面的性狀。

3D圖傾斜度越高，坡度越陡，說明兩者交互作用越顯著，即坡度反應(yīng)該因素對響應(yīng)值影響的強(qiáng)弱程度，如圖7～圖9。從響應(yīng)面圖中可以看出，NaOH濃度和超聲溫度對糖含量的影響大于浸泡時間和NaOH、NaOH濃度和超聲功率的影響。從圖9可知，傾斜度越不高，坡度越不陡，趨近于平面，說明兩者基本沒有交互作用，即對糖含量的影響非常弱。

圖7 NaOH濃度和超聲溫度對糖含量影響

圖8 浸泡時間和NaOH濃度對糖含量影響

圖9 NaOH濃度和超聲功率對糖含量的影響

2.3.4 最佳條件的確定及驗證

通過Design-Expert 11 軟件對對上述模型進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最佳條件：3%NaOH濃度，浸泡時間為48.005 h，超聲功率為78.030 W，超聲溫度為51.037℃，模型預(yù)測條件下的糖含量為0.0950 g·g-1，修正后預(yù)處理條件為3%NaOH濃度，浸泡時間為48 h，超聲功率為80 W，超聲溫度為50℃。

為驗證該數(shù)學(xué)模型預(yù)測最優(yōu)條件的可靠性，按修正的處理條件，進(jìn)行3次平行驗證試驗，取平均值得到糖含量為0.0947 g·g-1，模型預(yù)測值與實際驗證值相對誤差僅為0.0003。說明擬合條件良好，參數(shù)可靠。

2.4 預(yù)處理條件對玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性影響

對預(yù)處理前后的玉米秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣驗證實驗，分析不同的預(yù)處理條件下秸稈產(chǎn)氣特性。從圖10可得知，預(yù)處理前后的秸稈產(chǎn)氣效果差異顯著，從產(chǎn)氣高峰上來看，經(jīng)過預(yù)處理的實驗組其產(chǎn)氣高峰均有所提前，較未經(jīng)處理的對照組提前了2～3天，產(chǎn)氣效果較好的是NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理組，其最大日產(chǎn)氣量出現(xiàn)在第4天，產(chǎn)氣量為15.85 mL·g-1d-1，較對照組提高了81.1%。

圖10 不同預(yù)處理下的日產(chǎn)氣量變化圖

由圖11可知，與未經(jīng)處理的對照組相比，經(jīng)過預(yù)處理后的秸稈其甲烷累積產(chǎn)氣量增加顯著，甲烷累積產(chǎn)氣量最大的是NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理，產(chǎn)氣量達(dá)108.29 mL·g-1TS，較未處理組提高了79.4%，其次是超聲預(yù)處理組、NaOH預(yù)處理組，累積產(chǎn)氣量分別為87.73 mL·g-1TS,101.21 mL·g-1TS，NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理組比單一超聲處理組及NaOH預(yù)處理組產(chǎn)氣量分別提高了23%,7%。這也說明了聯(lián)合預(yù)處理比單一預(yù)處理效果好。

圖11 不同預(yù)處理下甲烷累計產(chǎn)氣量變化圖

3 結(jié)論

本文研究了玉米秸稈厭氧發(fā)酵的超聲預(yù)處理、NaOH預(yù)處理、NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理優(yōu)化試驗，分別從還原糖含量、組分含量、產(chǎn)氣量等方面進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)超聲預(yù)處理秸稈最佳條件為超聲時間為22min,超聲溫度為60℃,超聲功率為80 W，還原糖含量為0.0786 g·g-1，最大日產(chǎn)氣量為13.45 mL·g-1TS，平均日產(chǎn)氣量為5.85 mL·g-1TS，甲烷累積產(chǎn)氣量為87.73 mL·g-1TS。

(2)NaOH預(yù)處理秸稈最佳條件為2%NaOH濃度,VS為11%,浸泡時間為2.5 d，還原糖含量為0.0837 g·g-1，最大日產(chǎn)氣量為14.41 mL·g-1TS，平均日產(chǎn)氣量為6.75 mL·g-1TS，甲烷累積產(chǎn)氣量101.21 mL·g-1TS。

(3)NaOH聯(lián)合超聲預(yù)處理秸稈最佳條件為3%NaOH濃度，浸泡時間為48 h，超聲功率為80 W，超聲溫度為50℃，還原糖含量為0.0947 g·g-1，最大日產(chǎn)氣量為15.85 mL·g-1TS，平均日產(chǎn)氣量為7.22 mL·g-1TS，甲烷累積產(chǎn)氣量108.29 mL·g-1TS。聯(lián)合預(yù)處理試驗比單一超聲預(yù)處理組產(chǎn)氣量提高了23%，比單一NaOH預(yù)處理組產(chǎn)氣量提高了7%，比未經(jīng)預(yù)處理的對照組產(chǎn)氣量提高了79%。預(yù)處理前后玉米秸稈的三素含量證明，聯(lián)合預(yù)處理后的秸稈木質(zhì)素和半纖維素降解最多，而纖維素相對含量有所增加，說明聯(lián)合預(yù)處理比單一預(yù)處理效果好。