菌群預(yù)處理對(duì)高粱秸稈乙醇-甲烷聯(lián)合轉(zhuǎn)化效率的影響

曹燕篆，蘇婉，樊文華，卜玉山，劉奮武，聶督，李佳佳，崔宗均

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193）

由于人類能源消耗的日益增加和化石燃料的不可再生性，能源短缺及燃燒過(guò)程中造成的環(huán)境污染等問(wèn)題，迫使人們必須開發(fā)新能源。生物燃料具有生產(chǎn)原料資源豐富、可再生及環(huán)境友好等特點(diǎn)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，如生物乙醇和生物甲烷已在世界各地實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。

生物質(zhì)能是植物通過(guò)光合作用貯存在有機(jī)體中的能源，據(jù)評(píng)估，其總量約可滿足全球25%的能源需求。木質(zhì)纖維素是自然界中最豐富的生物質(zhì)資源，廣泛存在于高粱、玉米等農(nóng)作物秸稈，可作為生產(chǎn)乙醇和甲烷的重要原料，其中高粱作為世界上主要的糧食作物和能源作物，因生育周期短、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、不與主糧爭(zhēng)地及生物產(chǎn)量高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是生產(chǎn)生物燃料的潛力原料。目前，以高粱秸稈為原料生產(chǎn)生物燃料已有一定的探索。劉國(guó)華等以秸稈為原料發(fā)酵產(chǎn)乙醇，發(fā)現(xiàn)高粱秸稈的乙醇轉(zhuǎn)化率顯著低于水稻秸稈和小麥秸稈，歸因于其木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)更加致密、抗酶解能力強(qiáng)、水解效率低。ISLAM等以高粱秸稈為原料進(jìn)行兩步發(fā)酵產(chǎn)氫，將第一步發(fā)酵后的殘?jiān)?.5%（/）的稀硫酸120℃預(yù)處理1 h后再次發(fā)酵，H總產(chǎn)量比未處理秸稈提高了76%?？梢?，預(yù)處理可有效提高高粱秸稈生物燃料轉(zhuǎn)化效率。目前高粱秸稈預(yù)處理主要以物理、化學(xué)方法為主，該類方法存在能耗高、產(chǎn)生抑制因子及二次污染等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重限制秸稈的生物燃料轉(zhuǎn)化。與物理、化學(xué)方法相比，生物預(yù)處理具有溫和、環(huán)境友好、對(duì)發(fā)酵無(wú)抑制等優(yōu)點(diǎn)，得到了科研人員的廣泛認(rèn)可。前期研究表明構(gòu)建的復(fù)合菌系MC1主要包括CSK1（45%～50%），sp.FG4（20%～30%），sp.M1-3（5%～15%），sp.M1-5（1%～5%）及sp.M1-6（10%～20%）等菌種，對(duì)水稻、玉米和大豆等農(nóng)作物秸稈具有較好的降解性能。

秸稈能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中，預(yù)處理雖可有效提高秸稈降解效率，但仍存在秸稈利用效率較低的難題。研究表明，秸稈乙醇發(fā)酵其總固體利用率僅為30%左右，如玉米秸稈經(jīng)厭氧消化20 d后，其殘?jiān)欣w維素、半纖維及木質(zhì)素仍占總質(zhì)量的25.1%、1.1%和21.7%。為此，有研究者提出乙醇發(fā)酵或厭氧消化后的殘?jiān)蛇M(jìn)一步用于生產(chǎn)其他生物燃料。王殿龍等利用水稻秸稈厭氧消化纖維制取乙醇，獲得87 mg·kg[以總固體（TS）計(jì)，下同]的最大乙醇產(chǎn)量。MOTTLE等發(fā)現(xiàn)小麥秸稈經(jīng)厭氧發(fā)酵后既可產(chǎn)揮發(fā)性有機(jī)酸又能產(chǎn)氫，還可改善小麥秸稈的易磨性，比未經(jīng)處理的小麥秸稈總物質(zhì)轉(zhuǎn)化率增加131%。艾平等將纖維乙醇生產(chǎn)的糟液與稻稈、豬糞混合厭氧發(fā)酵，甲烷含量提高了10%。DERERIE等研究發(fā)現(xiàn)燕麥秸稈乙醇和甲烷聯(lián)合轉(zhuǎn)化比其直接進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)能提高34%。NOZARI等利用乙醇-異丙醇預(yù)處理高粱秸稈30 h，預(yù)處理后的液體用于厭氧消化生產(chǎn)甲烷，固體殘?jiān)教腔l(fā)酵生產(chǎn)乙醇，其甲烷和乙醇的最大產(chǎn)量分別達(dá)到271.2 mL·g[以揮發(fā)性固體（VS）計(jì)，下同]及11.9 g·L?？梢姡掖?甲烷聯(lián)合轉(zhuǎn)化是提高生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化效率及產(chǎn)能效率的有效途徑。

本研究以提高高粱秸稈生物降解及能量轉(zhuǎn)化效率為目的，利用木質(zhì)纖維素分解菌群MC1預(yù)處理高粱秸稈，分析了不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)秸稈降解效率的影響，比較了秸稈單產(chǎn)甲烷發(fā)酵和乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)發(fā)酵的產(chǎn)能差異，為高粱秸稈高效轉(zhuǎn)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

木質(zhì)纖維素分解復(fù)合菌系MC1由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院廢棄物資源利用研究室提供。高粱秸稈取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)站，新鮮的秸稈自然風(fēng)干后粉碎至5 mm備用，厭氧發(fā)酵接種物取自山西省晉中市太谷區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行的戶用沼氣池，秸稈及接種物性質(zhì)見表1。

表1 高粱秸稈及接種物性質(zhì)Table 1 Characteristics of the sorghum straw and inoculum

復(fù)合菌系培養(yǎng)使用PCS培養(yǎng)基，配制方法為：1 L去離子水中加入蛋白胨5 g，酵母粉1 g，NaCl 5 g，CaCO2 g，自然pH。MC1活化方法：200 mL培養(yǎng)基內(nèi)添加0.5%（/）的堿處理水稻秸稈作為碳源，121℃滅菌30 min冷卻至室溫備用。將-30℃冷凍保存的菌種解凍后接種到培養(yǎng)液中，置于50℃恒溫培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)，秸稈明顯分解后則活化成功。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

高粱秸稈預(yù)處理試驗(yàn)：向500 mL三角瓶中加入300 mL PCS培養(yǎng)液，添加0.5 g濾紙條作為底物，121℃滅菌30 min后冷卻到室溫。每個(gè)三角瓶中接種10 mL活化好的MC1菌液，置于50℃靜置培養(yǎng)3 d，濾紙條被明顯分解后向三角瓶中添加9 g高粱秸稈（置于孔徑小于1 mm的過(guò)濾袋中）繼續(xù)培養(yǎng)，分別在1、3、5、7 d對(duì)MC1預(yù)處理體系取樣，命名為MT-1d、MT-3d、MT-5d及MT-7d，設(shè)置加入滅菌菌液的處理為對(duì)照（MT-CK）。每個(gè)處理重復(fù)9次，其中3次重復(fù)用于性質(zhì)測(cè)定，剩余的用于燃料轉(zhuǎn)化。預(yù)處理后的秸稈殘?jiān)?jīng)水洗烘干至恒質(zhì)量，進(jìn)行減量和木質(zhì)纖維素成分分析，預(yù)處理液進(jìn)行VFAs、sCOD等指標(biāo)測(cè)定。

高粱秸稈單產(chǎn)甲烷發(fā)酵試驗(yàn)：將MC1預(yù)處理體系和MT-CK分別轉(zhuǎn)移至1 L藍(lán)蓋瓶中，加入100 mL接種污泥，用去離子水補(bǔ)至發(fā)酵體積400 mL，充分混合后向瓶中充氮?dú)饧s3 min使發(fā)酵體系為厭氧條件，并立刻用膠塞封口。將發(fā)酵瓶置于（37±1）℃的恒溫培養(yǎng)箱中持續(xù)發(fā)酵26 d，同時(shí)設(shè)置只添加接種污泥的處理為產(chǎn)甲烷空白對(duì)照。發(fā)酵過(guò)程中每日測(cè)定總產(chǎn)氣量及甲烷含量。

高粱秸稈乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)發(fā)酵試驗(yàn)：將經(jīng)MC1預(yù)處理后的高粱秸稈固體殘?jiān)冗M(jìn)行同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇，隨后將糖化發(fā)酵的剩余殘?jiān)cMC1預(yù)處理體系的液體部分混合，進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷。其中，糖化發(fā)酵培養(yǎng)基使用pH 4.8檸檬酸鈉緩沖液配制，1 L培養(yǎng)基中含有蛋白胨5 g，NHCl 2 g，KHPO1 g，MgSO·7HO 1 g，121℃滅菌30 min。

將MC1預(yù)處理體系、MC1滅菌對(duì)照體系的秸稈殘?jiān)尤胫裂b有200 mL糖化發(fā)酵培養(yǎng)基的三角瓶中，同時(shí)加入0.1 g·g底物的釀酒酵母和35 FPU·g底物纖維素酶（Celluclast 1.5 L，諾維信），塑料膜封口，混合均勻后置于37℃、150 r·min的恒溫?fù)u床中糖化發(fā)酵48 h。發(fā)酵結(jié)束后，測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量，將剩余秸稈殘?jiān)鼣D干液體后與MC1預(yù)處理液混合進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷（試驗(yàn)操作同高粱秸稈單產(chǎn)甲烷發(fā)酵試驗(yàn)），厭氧發(fā)酵過(guò)程中每日測(cè)定總產(chǎn)氣量及甲烷含量。未經(jīng)MC1預(yù)處理秸稈同步操作，作為試驗(yàn)對(duì)照。

1.3 相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定

預(yù)處理秸稈殘?jiān)?jīng)105℃烘干后稱質(zhì)量，采用失重法計(jì)算秸稈質(zhì)量減少量。將烘干后的固體殘?jiān)鬯檫^(guò)80目篩，準(zhǔn)確稱取0.5 g置于F57專用袋中，用ANKOM 220型纖維分析儀測(cè)定纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量。預(yù)處理液8 000 r·min離心10 min后，分析其上清液化學(xué)性質(zhì)。酸堿度采用pH計(jì)（日本Horiba B-212）測(cè)定。VFAs濃度利用高效液相色譜儀（LC-20A，島津）測(cè)定，測(cè)定條件為伯樂(lè)Aminex HPX-87H液相色譜柱，SPD-S20A檢測(cè)器，柱溫40℃，流動(dòng)相為5 mmol·LHSO，流速為0.6 mL·min，測(cè)定時(shí)間40 min。sCOD使用COD快速檢測(cè)儀（Lovibond E799718，德國(guó)）測(cè)定。乙醇含量采用美國(guó)Agilent 1260型高效液相色譜儀測(cè)定，測(cè)定條件為Bio-Rad HPX-87H柱，柱溫60℃，流動(dòng)相5 mmol·L硫酸，流速0.6 mL·min。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣總量使用BMP-Test系 統(tǒng)（WAL-BMP-Testsystem 3150，WAL，德國(guó)）測(cè)定，通過(guò)發(fā)酵瓶?jī)?nèi)與大氣壓的絕對(duì)壓力差值計(jì)算日產(chǎn)沼氣量。甲烷含量使用Biogas 5000氣體分析儀（Geotech，英國(guó)）測(cè)定。

1.4 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)分析

試驗(yàn)采用改進(jìn)的動(dòng)力學(xué)模型Modified Gompertz方程對(duì)厭氧發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行擬合，模型參數(shù)推導(dǎo)過(guò)程詳見文獻(xiàn)[23-24]，公式為：

式中：為時(shí)刻的累積產(chǎn)甲烷量，mL·gVS；為最大產(chǎn)甲烷潛能，mL·gVS；為最大產(chǎn)甲烷速率，mL·g·d；λ為延滯期，d；為發(fā)酵時(shí)間，d；e為常數(shù)2.718。，和λ為批次厭氧發(fā)酵試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得。

1.5 產(chǎn)能分析

對(duì)高粱秸稈生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化進(jìn)行能量輸出分析，計(jì)算公式如下：

式中：為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的熱值，55.64 kJ·g；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下乙醇的熱值，29.71 kJ·g；為厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷體積，mL·gVS；為甲烷的密度，0.72 g·L；為秸稈殘?jiān)a(chǎn)的乙醇總量，g·kgVS。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析使用軟件Excel 2010，SPSS 20及Origin 9.1。方差分析使用Duncan多范圍檢驗(yàn)，＜0.05時(shí)為差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理過(guò)程中秸稈質(zhì)量損失

由圖1可知，高粱秸稈預(yù)處理7 d后質(zhì)量損失率達(dá)到40.08%，其中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的質(zhì)量損失率分別為27.39%、39.48%及15.55%。復(fù)合菌系MC1對(duì)秸稈的降解主要發(fā)生在預(yù)處理初期，3 d時(shí)總質(zhì)量損失達(dá)到36.52%，纖維素、半纖維素及木質(zhì)素3 d的質(zhì)量損失量分別占其總質(zhì)量損失的81.49%、78.85%及67.85%。該結(jié)果與已有報(bào)道相近，潘云霞等利用復(fù)合菌系預(yù)處理稻稈，3 d時(shí)降解率達(dá)到64.05%，降解作用同樣發(fā)生在預(yù)處理初期。預(yù)處理過(guò)程中菌群對(duì)半纖維素的降解能力優(yōu)于木質(zhì)素和纖維素，這與半纖維素主要由木聚糖、阿拉伯木聚糖等易降解的糖類組成有關(guān)。微生物菌群MC1對(duì)高粱秸稈木質(zhì)纖維素致密結(jié)構(gòu)的有效破壞，是提高秸稈水解效率及生物燃料轉(zhuǎn)化率的有效保障。

圖1 高粱秸稈預(yù)處理過(guò)程中的質(zhì)量損失Figure 1 Weight loss of sorghumstraw during pretreatment

2.2 預(yù)處理液的性質(zhì)

在整個(gè)預(yù)處理過(guò)程中，預(yù)處理液pH呈先下降后上升的趨勢(shì)。從圖2A中可以看出，預(yù)處理1 d，pH由初始的7.79迅速下降至5.13，sCOD濃度從4.02 g·L升高到7.83 g·L，隨后pH穩(wěn)定在6.60左右。sCOD濃度在第5 d達(dá)到最高（8.10 g·L），隨后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

預(yù)處理水解液中VFAs濃度的快速積累是增加木質(zhì)纖維素原料甲烷產(chǎn)量的重要因素，VFAs總量在預(yù)處理第5 d達(dá)到最高，為2.92 g·L（圖2B）。整個(gè)預(yù)處理過(guò)程中，VFAs以乙酸和丁酸為主，占總VFAs的92.05%～95.04%，且均在第5 d濃度達(dá)到最高，分別為1.54 g·L及1.17 g·L。產(chǎn)甲烷過(guò)程中，乙酸可以直接被乙酸營(yíng)養(yǎng)型甲烷菌代謝轉(zhuǎn)化為甲烷，丁酸可被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌利用轉(zhuǎn)化為乙酸，進(jìn)而在甲烷菌的作用下轉(zhuǎn)化為甲烷。預(yù)處理液中乙酸和丁酸的大量產(chǎn)生，為促進(jìn)高粱秸稈甲烷轉(zhuǎn)化提供可能。此外，高濃度丙酸對(duì)產(chǎn)甲烷過(guò)程有明顯的抑制作用，MC1預(yù)處理過(guò)程中丙酸始終維持在較低水平，有利于維持厭氧發(fā)酵體系的穩(wěn)定性。

圖2 高粱秸稈預(yù)處理過(guò)程中水解液pH、sCOD及VFAs的變化Figure 2 Changes of pH，sCODand VFAs in hydrolysate during sorghumstraw pretreatment

2.3 預(yù)處理對(duì)高粱秸稈產(chǎn)乙醇的影響

高粱秸稈同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇結(jié)果如圖3所示。經(jīng)48 h發(fā)酵，未處理秸稈MT-CK產(chǎn)乙醇量為28.92 g·kgVS，顯著低于處理組（＜0.05）。秸稈經(jīng)MC1預(yù)處理后，乙醇產(chǎn)量提高85.21%～173.78%，其中MT-5d產(chǎn)乙醇量最高，為79.18 g·kgVS；MT-1d、MT-5d和MT-7d同步糖化發(fā)酵乙醇產(chǎn)量無(wú)顯著差異。乙醇發(fā)酵過(guò)程中，纖維素在纖維素酶的作用下轉(zhuǎn)化為單糖，隨后酵母菌通過(guò)糖酵解過(guò)程將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸?？梢姡w維素酶解效率是決定乙醇產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。MC1預(yù)處理能有效降解秸稈木質(zhì)纖維素各組分（圖1），通過(guò)破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)以增加纖維素酶與纖維素的接觸，進(jìn)而提高纖維素酶解效率及乙醇產(chǎn)量。

圖3 高粱秸稈預(yù)處理殘?jiān)掖籍a(chǎn)量Figure 3 Ethanol yield of sorghumstraw residues pretreated by MC1

2.4 預(yù)處理及聯(lián)合發(fā)酵對(duì)高粱秸稈產(chǎn)甲烷的影響

圖4 A～圖C為高粱秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特征，發(fā)酵原料為秸稈預(yù)處理液與乙醇發(fā)酵剩余固體殘?jiān)幕旌衔?。預(yù)處理液中含有高濃度的VFAs，能夠快速啟動(dòng)厭氧發(fā)酵。日產(chǎn)沼氣量在發(fā)酵最初幾天迅速增加，達(dá)到峰值后開始下降，其中MT-5d在厭氧發(fā)酵第3 d達(dá)到產(chǎn)氣高峰48.39 mL·gVS（圖4A）。MT-5d的累積產(chǎn)沼氣量最高，比MT-CK提高了52.08%（圖4B）。在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中，日產(chǎn)甲烷量有兩個(gè)高峰階段，第一個(gè)高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第5 d左右，第二個(gè)高峰出現(xiàn)在15 d左右（圖4C）。秸稈經(jīng)預(yù)處理后甲烷累積產(chǎn)量均比MT-CK高，產(chǎn)量由高至低順序?yàn)镸T-5d＞MT-7d＞MT-1d＞MT-3d，比MT-CK提高了94.31%～138.73%。

高粱秸稈單產(chǎn)甲烷發(fā)酵與乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)發(fā)酵下累積產(chǎn)甲烷量如圖4D所示。結(jié)果表明，預(yù)處理能顯著提高高粱秸稈甲烷產(chǎn)量，且乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量比單產(chǎn)甲烷發(fā)酵提高了8.95%～32.55%；其中MT-5d累積甲烷產(chǎn)量為239.50 mL·gVS，顯著高于其他處理（＜0.05）。但MT-CK結(jié)果相反，因乙醇發(fā)酵過(guò)程中纖維素等物質(zhì)的消耗導(dǎo)致厭氧發(fā)酵可用底物的減少，秸稈乙醇-甲烷聯(lián)合發(fā)酵產(chǎn)甲烷量顯著低于單發(fā)酵甲烷產(chǎn)量（＜0.05）。

圖4 高粱秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣結(jié)果Figure 4 Biogas production during anerobic fermentation of sorghumstraw

利用木質(zhì)纖維素分解菌預(yù)處理秸稈以提高甲烷產(chǎn)量，已被很多研究報(bào)道。THEURETZBACHER等用CBS5774預(yù)處理小麥秸稈42 d后，甲烷產(chǎn)量顯著提高了15%。ZHAO等以玉米秸稈為原料經(jīng)復(fù)合菌系預(yù)處理后，甲烷產(chǎn)量提高了62.85%。菌群預(yù)處理之所以能提高甲烷產(chǎn)量，一是預(yù)處理破壞了木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，增加了酶對(duì)纖維素的降解能力；二是菌群提高了水解液中VFAs濃度，增強(qiáng)了厭氧發(fā)酵體系菌群捕獲乙酸和還原二氧化碳產(chǎn)甲烷的能力。此外，乙醇已被證實(shí)能夠提高厭氧發(fā)酵過(guò)程中微生物種間直接電子傳遞（DIET）。據(jù)報(bào)道，厭氧消化體系中加入含有10%～20%乙醇的有機(jī)物料，能夠提高體系對(duì)高有機(jī)負(fù)荷的耐受，減少丁酸、丙酸等有機(jī)酸的積累，甲烷轉(zhuǎn)化率可提高至85%以上。因此，高粱秸稈乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)發(fā)酵甲烷產(chǎn)量的提高可能與以下幾個(gè)因素有關(guān)，一是預(yù)處理水解液有機(jī)酸濃度的提高，二是乙醇發(fā)酵過(guò)程進(jìn)一步破壞了秸稈殘?jiān)举|(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，增加了水解酶對(duì)殘?jiān)w維素等大分子的可及性，三是秸稈殘?jiān)袣埩舻纳倭恳掖歼M(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵體系，提高了厭氧發(fā)酵體系DIET，進(jìn)而提高產(chǎn)甲烷效率。

2.5 產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)分析

高粱秸稈乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性如表2所示。Modified Gompertz模型能較好地反映不同時(shí)間預(yù)處理組產(chǎn)甲烷過(guò)程（為0.996～0.998），其中，和與試驗(yàn)值基本吻合。秸稈預(yù)處理時(shí)間為5 d時(shí)值最高，最大產(chǎn)甲烷速率可達(dá)13.96 mL·g·dVS，與MT-CK相比提高了144.06%，且所有預(yù)處理均提高了甲烷產(chǎn)量。λ值隨著預(yù)處理時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。

表2 不同預(yù)處理時(shí)間高粱秸稈產(chǎn)甲烷動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of methane production from sorghum straw at different pretreated times

2.6 預(yù)處理和聯(lián)合發(fā)酵對(duì)高粱秸稈生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)能的影響

高粱秸稈經(jīng)MC1預(yù)處理后進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)能分析如圖5所示。未處理秸稈乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)總產(chǎn)能為4 878.15 kJ·kgVS，比單產(chǎn)甲烷產(chǎn)能提高了8.21%。復(fù)合菌系預(yù)處理有效提高了秸稈乙醇及甲烷產(chǎn)量，秸稈經(jīng)MC1預(yù)處理后單產(chǎn)甲烷產(chǎn)能比MTCK提高了44.42%～73.11%，乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)總產(chǎn)能比單產(chǎn)甲烷產(chǎn)能提高了38.31%～65.06%，其中MT-5d聯(lián)合發(fā)酵總產(chǎn)能最高，為11 947.04 kJ·kgVS，比未處理秸稈單產(chǎn)甲烷產(chǎn)能提高了165.02%。

圖5 高粱秸稈單產(chǎn)甲烷及乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)能分析Figure 5 The energy output from methane fermentation（only）as well as from a combined ethanol and methane fermentation of sorghum straw

在燃料生產(chǎn)中，乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)被認(rèn)為是很有前景的一種生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化措施。THEURETZBACHER等研究發(fā)現(xiàn)生物及高溫蒸汽預(yù)處理后小麥秸稈乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)能達(dá)10.86 MJ·kgVS，比未處理秸稈單產(chǎn)甲烷產(chǎn)能提高了44%；DERERIE等的研究結(jié)果也證實(shí)了燕麥秸稈乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)比單產(chǎn)甲烷產(chǎn)能提高28%～34%。WU等以狼尾草為原料證實(shí)了乙醇、甲烷聯(lián)產(chǎn)能夠有效提高物料轉(zhuǎn)化效率和能量產(chǎn)出。雖然秸稈乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)能有效提高產(chǎn)能，但在實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)一步考慮生產(chǎn)乙醇的經(jīng)濟(jì)投入。

3 結(jié)論

（1）菌群MC1能有效降解秸稈并破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，預(yù)處理7 d秸稈質(zhì)量損失率達(dá)40.08%；且預(yù)處理5 d秸稈水解效果最好，其水解液可溶性化學(xué)需氧量和揮發(fā)性有機(jī)酸含量達(dá)到最高。

（2）MC1預(yù)處理及乙醇-甲烷聯(lián)合轉(zhuǎn)化可有效提高高粱秸稈生物轉(zhuǎn)化效率，預(yù)處理5 d獲得了乙醇和甲烷最高產(chǎn)量，分別為79.18 g·kgVS和239.50 mL·gVS，總產(chǎn)能達(dá)到最高，為11 947.04 kJ·kgVS，比未處理秸稈單產(chǎn)甲烷產(chǎn)能提高了165.02%?？梢?，MC1預(yù)處理高粱秸稈后進(jìn)行乙醇-甲烷聯(lián)產(chǎn)能顯著增加秸稈乙醇、甲烷累積產(chǎn)量，提高木質(zhì)纖維素利用率和能量回收率，實(shí)現(xiàn)高粱秸稈生物質(zhì)能的高效轉(zhuǎn)化。