甘蔗渣霉變對厭氧發酵產沼氣的影響*

陸 兵,黃章南,李秀萍,潘世優,黎貞崇,韋宇拓**

(1.廣西大學生命科學與技術學院,廣西微生物與酶工程技術研究中心,廣西南寧 530004;2.宜賓職業技術學院五糧液技術與食品工程學院,四川宜賓 644003;3.廣西科學院,廣西南寧 530007)

甘蔗作為重要的糖料作物之一,被廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區[1,2]。據聯合國糧食及農業組織統計數據庫(FAOSTAT)統計,2020 年我國甘蔗產量和種植面積分別為1.09×108t和1.4×106hm2,在世界上排名分別為第三名和第四名[3-5]。甘蔗渣是甘蔗壓榨制糖后的廢棄物,目前全世界的甘蔗渣年產量為5.13×108t[6]。我國約有50%的甘蔗渣被用于燃燒發電,這不僅會造成環境污染,而且會有大量的甘蔗渣未被利用[7,8]。未被及時利用的甘蔗渣,就需要考慮回收和儲存的問題。壓榨后的甘蔗渣含有約50%的水分,一定量的可溶性糖、粗蛋白質和木質纖維素,如果儲存管理不到位,很容易滋生微生物,從而產生霉變[9-11]。厭氧發酵產沼氣技術是一種清潔且很有前景的技術,目前已有研究者對甘蔗渣產沼氣進行了研究[12,13]。甘蔗渣厭氧發酵的研究大多集中在提高沼氣產量上,如預處理和共消化[14,15]。在各種預處理方法中,微生物預處理因其環境友好,不需要消耗能量和化學物質而經常被使用[16]。但是,微生物預處理木質纖維素生物質時間長,且其產沼氣的效果難以控制,有時還會出現產氣量降低的結果[17,18]。

目前,關于甘蔗渣霉變對其厭氧發酵產沼氣的影響以及其沼氣產量下降的原因的研究較少。因此,本研究對正常和霉變的甘蔗渣進行厭氧發酵產沼氣研究,比較其內在結構、理化性質、發酵參數和物質去除率,分析甘蔗渣霉變后沼氣產量下降的原因,以期為甘蔗渣的儲存和沼氣生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 厭氧發酵接種物

厭氧發酵接種物為實驗室常用污泥[19],甘蔗渣由廣西糖蔗壓榨獲得。甘蔗渣自然放置于實驗室儲藏室1個月后,從中挑選出正常的、沒有長霉的甘蔗渣(SCB-C)和霉變的甘蔗渣(SCB-R)。將甘蔗渣剪成1 cm×1 cm×1 cm 塊狀,用于厭氧發酵。

1.1.2 主要試劑

鹽酸、濃硫酸、乙二醇乙醚購自廉江市愛廉貿易有限公司,重鉻酸鉀購自中國醫藥公司北京采購供應站,乙二胺四乙酸二鈉、苯酚購自國藥集團化學試劑有限公司,鄰苯二甲酸氫鉀、丙酮購自天津市大茂化學試劑廠,亞硝基鐵氰化鈉、硫酸銀、次氯酸鈉購自生工生物工程(上海)股份有限公司,十六烷基三甲胺溴、十二烷基硫酸鈉購自阿拉丁試劑(上海)有限公司。

1.1.3 主要儀器

GC9790-Ⅱ氣相色譜儀(浙江福立分析儀器股份有限公司),GC-1120氣相色譜儀(上海舜宇恒平科學儀器有限公司),PHS-3C 型p H 計(上海儀電科學儀器股份有限公司),SX2-5-12A 箱式電阻爐(上海索域試驗設備有限公司),HWXL-9420A 恒溫烘箱(上海精宏實驗設備有限公司),HH-6恒溫水浴鍋(常州國華電器有限公司),Elx800 全自動酶標儀(美國Bio Tek公司),掃描電子顯微鏡(FEI Quattro S,美國賽默飛公司)。

1.1.4 厭氧發酵反應器

厭氧發酵裝置如圖1所示。厭氧發酵反應器為2.5 L 的玻璃容器,容器口用相應尺寸的硅膠塞蓋緊,硅膠塞上開兩個孔,一個連接氣體收集袋,用于收集厭氧發酵產生的沼氣,另一個用于發酵液取樣。

圖1 厭氧發酵反應器Fig.1 Anaerobic fermentation reactor

1.2 方法

1.2.1 厭氧發酵試驗設計

厭氧發酵試驗分兩組進行,即SCB-C 組和SCBR 組。兩組采用相同的發酵體系,即底物濃度為7.5 g VS/L,接種物與底物的比例為1∶1(基于VS),最后添加自來水至工作體積2.2 L。在35℃恒溫水浴下,厭氧發酵35 d,每天手動搖勻兩次。厭氧發酵開始后,每天對沼氣進行測定,12 d后每2 d或4 d對沼氣測定1次。在厭氧發酵過程中,每隔2-3 d采集發酵液,對發酵過程參數p H 值、總氨氮(Total Ammonia Nitrogen,TAN)、溶解性化學需氧量(Soluble Chemical Oxygen Demand,SCOD)和總揮發酸(Total Volatile Fatty Acids,TVFA)進行測定。

1.2.2 樣品表征

甘蔗渣的微觀形態采用掃描電子顯微鏡在2 000倍的情景下進行表征。

1.2.3 測定方法

含水量、總固體(Total Solids,TS)、揮發性固體(Volatile Solids,VS)采用干重法測定[20],TS和VS去除率分別采用甘蔗渣沼氣發酵前后TS和VS重量減少的百分比來表示;p H 值由p H 計測定;SCOD 參照APHA 標準方法測定[21];TAN 采用靛酚藍比色法測定[22];TVFA 使用氣相色譜儀測定[23];可溶性糖采用苯酚-硫酸法測定[24];木質纖維素采用范氏(Van Soest)洗滌法測定[25];總氮使用凱氏定氮法測定[26]。沼氣產量用帶刻度的針筒從集氣袋中抽取進行測定,沼氣中甲烷含量用氣相色譜儀測定[12]。

1.3 數據處理

每個試驗均設置3個平行,試驗結果采用均值±標準差表示,用 Microsoft Office Excel 2019 和GraphPad Prism 9進行數據處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 甘蔗渣微觀形態

甘蔗渣的微觀形態如圖2所示。從圖2(a)、(b)可以看出,SCB-C 的外表面和內部結構均較為光滑平坦,且表面附著物少;其內部骨架清晰,孔隙均勻,未受到明顯破壞,結構完整。從圖2(c)可以看出,SCB-R 的外表面存在較多附著物,結構粗糙。從圖2(d)可以看出,SCB-R 內部骨架因大量的附著物覆蓋而難以辨別,還存在較多的菌絲和真菌。由此可知,經過儲存后,霉變會對甘蔗渣的形態結構造成顯著的影響。

圖2 甘蔗渣外表面和內部結構的SEM 圖(×2 000)Fig.2 SEM images of sugarcane bagasse's outside surface and internal structure(×2 000)

2.2 甘蔗渣理化指標分析

兩種甘蔗渣樣品的理化指標分析結果如表1所示。由表1 可知,甘蔗渣發生霉變后其含水量(56.8%)會保持較高水平,是正常儲存的甘蔗渣含水量(12.8%)的4.4 倍。SCB-R 組中的總固體率與SCB-C 相比有所下降,但兩者的揮發性固體則相對一致。此外,SCB-C 組和SCB-R 組中的可溶性糖含量分別為10.9、0.5 mg/g,可見甘蔗渣霉變后其可溶性糖幾乎被消化完,下降幅度達到95.4%。SCB-R組中的總氮含量為51.7 mg/g,比SCB-C 組提高48.6%。SCB-R 組的纖維素、半纖維素和酸不溶性木質素含量均高于SCB-C 組,可能與可溶性糖的急劇消耗有關。SCB-R 組中的纖維素含量較高(43.8%),使其結晶聚合物的比例增加,加之難以消化的酸不溶性木質素含量高(10.3%)和可溶性糖含量較低,這些指標都表明霉變的甘蔗渣在厭氧消化中的表現不如正常的甘蔗渣。

表1 甘蔗渣的理化指標分析結果Table 1 Analysis results of physicochemical indexes of sugarcane bagasse

2.3 甘蔗渣產沼氣變化

甘蔗渣樣品每日沼氣、甲烷產量以及累積沼氣、甲烷產量如圖3所示。從圖3可以看出,SCB-C組和SCB-R 組中每日沼氣產量與甲烷產量的趨勢具有較高的一致性,與Pan等[27]的報道相似。由圖3(a)可知,SCB-C組有兩個產氣高峰,第1個產氣高峰為第1天,日產沼氣量達85.8 m L/g VS,這是由SCB-C的可溶性糖較多且主要用于微生物生長繁殖所造成的,所以此時的日產甲烷量較低;第2個產氣高峰為第6天,日產沼氣量為45.2 m L/g VS,此時日產甲烷量也達到最高峰,為32.1 m L/g VS,此后日產沼氣和甲烷量逐漸下降。從圖3(b)可以看出,SCB-R組只有一個產氣高峰,日產沼氣和甲烷分別在第2天和第3天達到最高峰,日產沼氣和甲烷的量分別為14.9、3.1 m L/g VS。在整個厭氧發酵期間,SCB-C組的產氣量遠大于SCB-R 組。從圖3(c)、(d)可以看出,SCB-C組的累積沼氣產量為276.1 m L/g VS,是SCB-R 組累積沼氣產量(108.7 m L/g VS)的2.5倍;SCB-C 組的累積甲烷產量為103.4 m L/g VS,是SCB-R 組累積甲烷產量(22.8 m L/g VS)的4.5倍。此外,通過觀察累積產氣量曲線可知,在SCB-C組的厭氧發酵中,90%的沼氣和甲烷分別在前8 d和前7 d產生,分別比SCB-R 組快14 d和13 d。綜上可知,不僅SCB-C組的產氣量大于SCB-R 組,而且SCB-C組的產氣速率也遠比SCB-R 組快。

圖3 不同甘蔗渣樣品的每日產氣量和累積產氣量Fig.3 Daily gas yield and cumulative gas production of different sugarcane bagasse samples

2.4 甘蔗渣厭氧發酵過程參數變化

在厭氧發酵中,對不同甘蔗渣的發酵過程參數(p H 值、SCOD、TAN 和TVFA)進行監測,結果如圖4所示。由圖4(a)可知,厭氧發酵開始后,SCB-C 組和SCB-R 組的p H 值均迅速下降,特別是SCB-C 組的p H 值下降至5.5,這是由SCB-C組的可溶性糖等物質的水解、酸化產生的。由圖4(b)可知,厭氧發酵前期,SCB-C 組SCOD 的最高值(3 229.0 mg/L)遠大于SCB-R 組的最高值(954.0 mg/L)。由圖4(c)可知,在1-22 d內,SCB-R 組的TAN 值(159.7-175.0 mg/L)均高于同時期的SCB-C 組(148.9-167.2 mg/L),但是由于SCB-R 組缺乏可溶性糖,故僅TAN 的提高并未對SCB-R 的產氣量有很好的提升作用。如圖4(d)所示,SCB-C 組TVFA 的最大值為1 855.8 mg/L,比SCB-R 組的最大值(1 470.3 mg/L)高26.2%。隨著SCB-C 組和SCB-R 組SCOD 和TVFA 逐漸被消耗,兩組的p H 值逐漸上升并恢復至原來的水平。在整個厭氧發酵周期中,除SCB-C組和SCB-R 組的p H 值在發酵前期不處于最佳產甲烷范圍(p H 值為6.5-7.5)外[28],其他指標均處于厭氧發酵的正常范圍之內,也未觀察到高濃度的TAN 和TVFA 的積累,厭氧發酵系統穩定性良好。

圖4 不同甘蔗渣樣品厭氧發酵過程參數的變化Fig.4 Changes of anaerobic fermentation parameters of sugarcane bagasse samples

2.5 甘蔗渣厭氧發酵的TS和VS去除率

厭氧發酵結束后,收集不同甘蔗渣的固體沼渣,并在105℃下烘干,進行甘蔗渣厭氧發酵的TS 和VS去除率分析,其結果如圖5所示。由圖5可知,經過35 d 的厭氧發酵,SCB-C 組的TS 去除率為40.3%,SCB-R 組的TS去除率為23.1%,比SCB-C組少17.2%,這主要是SCB-C 組的可溶性糖、SCOD等含量較高且易于厭氧消化所致。SCB-R 組的VS去除率為21.6%,僅為SCB-C 組(38.1%)的56.7%。綜上,SCB-C組的TS和VS去除率均明顯大于SCB-R 組。有研究表明在理論上原料中的VS去除越多,轉化為生物能源就越多[23],這與本研究中SCB-C組的產氣量高于SCB-R 組的結果一致。

圖5 不同甘蔗渣樣品厭氧發酵的TS和VS去除率Fig.5 Removal rates of TSand VS of sugarcane bagasse samples in anaerobic fermentation

3 討論

本研究對壓榨后的、在室內自然條件儲存的甘蔗渣微觀形態和理化性質進行了研究,發現霉變的甘蔗渣的結構和性質都發生了顯著變化。甘蔗渣在室內自然儲存會接觸地面和空氣中的大量微生物,加之壓榨后的甘蔗渣含有水分和可溶性糖,這實際上可以看成是一個緩慢的生物發酵過程。在此過程中,如果甘蔗渣的水分沒有及時去除,甘蔗渣的顏色會從淡黃色逐漸轉變為深褐色或黑褐色,這可能是大部分正常的甘蔗渣處于堆積儲存表層,而霉變的甘蔗渣處于堆積儲存的內部,從而使霉變的甘蔗渣保持充足水分,加之有較容易利用的糖類,會使微生物在甘蔗渣上大量繁殖,從而形成腐敗、霉斑,或如杜珂珂等[29]報道的生物預處理水稻秸稈后,更多的木質素被暴露出來所致。同時,微生物會破壞甘蔗渣表面的蠟質層,使不能降解的硅脫落[29,30],使得甘蔗渣表面的結構變得更加粗糙。隨著儲存時間的延長,微生物會進入甘蔗渣內部,消化容易利用的組分,進一步破壞甘蔗渣的內部結構[29],從而使其結構坍塌且布滿微生物。因此,壓榨后的甘蔗渣如需長期存放,應注意通風干燥,盡量避免堆放,使水分快速降低,以防甘蔗渣腐敗和霉變。

此外,本研究發現SCB-R 組的累積沼氣產量和甲烷產量比SCB-C組分別降低60.6%和77.9%,該結果與范曉娟等[18]用白腐菌糙皮側耳預處理水葫蘆(Eichhorniacrassipes)25 d,其沼氣產量和甲烷產量分別降低的報道一致。柴春月等[17]對生物預處理小麥秸稈產沼氣的研究發現,生物預處理10 d和15 d時,沼氣產量分別比對照組提高42.0%和41.0%,當預處理時間超過20 d時,沼氣產量反而下降37.0%,可能是生物預處理時間過長,微生物消耗了較多產沼氣的底物,這與本研究中SCB-R 組的可溶性糖比SCB-C組急劇下降的結果一致。本研究中SCB-R 組的總氮含量比SCB-C 組高,與楚莉莉等[31]報道的生物預處理可以降低秸稈的碳氮比、提高氮含量的結果相似,這雖然有利于沼氣發酵,但是缺乏易厭氧消化的底物也使得沼氣發酵難以進行。本研究中SCB-R組的產氣量下降和產氣速率變慢,其原因可能是在沼氣發酵過程中缺乏可溶性糖,使沼氣發酵啟動困難,該結果與Pan等[15]的研究一致。此外,李硯飛等[32]研究發現木霉對纖維素和木質素的降解效果較差,以及Qu等[30]研究發現生物預處理會提高纖維的結晶度,這些情況也會阻礙沼氣發酵。因此,考慮到木質纖維素生物質的沼氣發酵中可溶性糖-纖維-氮素的營養平衡,甘蔗渣的生物預處理時間應避免過長。

4 結論

本研究通過對正常和霉變兩種不同形態的甘蔗渣進行對比,探究了甘蔗渣霉變對其結構、理化性質和厭氧發酵產沼氣的影響。結果表明,霉變的甘蔗渣的結構被破壞,其理化性質發生了很大改變,木質纖維素含量有所上升。在厭氧發酵過程中,SCB-C 組的SCOD 和TVFA 最高值遠大于SCB-R 組,SCB-R組的TS和VS去除率均小于SCB-C組,SCB-R 組的累積沼氣產量和甲烷產量比SCB-C 組分別降低60.6%和77.9%?？傊?壓榨后的甘蔗渣如果儲存不當,其結構會被破壞,可溶性糖含量急劇下降,沼氣發酵啟動困難,固體去除率降低,從而大大削弱了其產沼氣的潛力。因此,壓榨后的甘蔗渣如需長期存放,應注意通風干燥,盡量避免堆放,使水分快速降低,以防甘蔗渣腐敗和霉變導致可溶性糖的損失。此外,甘蔗渣含有豐富的木質纖維素,而氮素相對缺乏,對其進行生物預處理可破壞木質纖維素結構、增加氮含量,然而過度的生物預處理會消耗大量的可溶性糖,從而打破沼氣發酵中可溶性糖-纖維-氮素的平衡,所以甘蔗渣的生物預處理時間不宜過長。