不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响

2011年2月 Transactions of the CSAE Feb. 2011 287 不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响

李艳宾1,2,3，张琴1,3※，李为2，余龙江2

（1. 塔里木大学生命科学学院，阿拉尔 843300； 2.华中科技大学生命科学与技术学院资源生物学与生物技术研究所，武汉 430074； 3. 塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室，阿拉尔 843300）

摘要：为探索合理的预处理方法以实现棉秆的高效厌氧发酵，研究了高温处理、NaOH处理与生物处理3种预处理方

式对棉秆厌氧发酵产沼气的影响。经预处理的棉秆以8%的总固体质量分数，在常温（(23±2)℃）下进行沼气发酵试验。

结果表明，经NaOH及生物预处理，棉秆的木质纤维结构破坏较明显，而高温预处理对棉秆的表观结构影响不大。3种

预处理均能有效缩短发酵启动时间，并不同程度提高棉秆产沼气的能力，作用大小依次为：NaOH处理＞高温预处理＞

生物预处理。其中以质量分数为4%的 NaOH对棉秆（含水率为60%）处理10 d的效果最佳，发酵61 d后的总产气量可

达31 022.5 mL，日均产气量为508.57 mL/d，总固体产气率、挥发性固体产气率分别为193.、216.30 mL/g，要远高于

其他处理及对照，有效地提高了棉秆厌氧发酵的效率。

关键词：棉花，厌氧消化，沼气，预处理，棉秆

doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.02.049

中图分类号：S216.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-02-0287-06

李艳宾，张 琴，李 为，等. 不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响[J]. 农业工程学报，2011，27(2)：287

－292.

Li Yanbin, Zhang Qin, Li Wei, et al. Effects of different pretreatment conditions on biogas production by anaerobic fermentation

of cotton stalk[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(2): 287－292. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

是中国最大的棉花主产区，每年生产棉花约200万t，产生秸秆约600～750万t[1]。对于棉秆的处理，除少量用于造纸、制板、建筑等之外，目前大部分仍然是直接粉碎还田，不但生物转化率低，还可能对棉花的生长带来抑制作用[2]。如何实现棉秆资源的高效转化与利用成为亟待解决的问题。棉秆是一类木质化程度非常高的作物秸秆，因此对棉秆的资源化利用也主要围绕其木质纤维组分的降解展开，如利用微生物降解并糖化棉秆以生产燃料乙醇[3-5]、热裂解棉秆[6-7]等。此外，棉秆也具有一定的厌氧发酵产沼气的潜力[8-9]，但由于木质素对纤维素的包埋作用及纤维素本身高度结晶，使其产沼气能力的大小受制于木质纤维素的降解程度[10-11]，因此，在发酵前对棉秆进行有效预处理十分必要。

木质纤维素类原料沼气发酵的预处理方法主要有粉碎与研磨、高温处理、碱处理、生物处理等几种[12]，对于不同的原料，各处理方法的效果各异，且同一方法中，也受到处理水平诸如温度、碱浓度、微生物菌种及培养条件等的影响，导致最终的产气情况差异很大[13-15]。可

收稿日期：2010-07-07 修订日期：2010-08-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目（30860014，30960071）

作者简介：李艳宾（1983—），男，湖南保靖县人，硕士，讲师，主要从事微生物发酵方面的研究。阿拉尔塔里木大学生命科学学院，843300。Email: ydhant@sina.com

※通信作者：张琴（1980—)，女，四川雅安人，讲师，主要从事生物质转化研究。阿拉尔塔里木大学生命科学学院，843300。

Email: jhtabszq@sina.com 见，利用某种木质纤维类原料进行沼气发酵，首先应进

行预处理方法的筛选。目前对于棉秆沼气发酵预处理的

研究鲜有报道，仅见采用简单微生物预处理的方式[10]。

为此，本文在棉秆机械粉碎的基础上，对棉秆分别进行

了高温预处理、碱预处理及生物预处理，每种处理方式

又分别设置不同水平（选用不同菌种），比较处理后棉

秆的发酵情况及沼气产量，旨在寻找出适于棉秆的预处

理方式及处理条件，以期为棉秆的高效厌氧发酵生产沼

气提供理论依据与技术保证。

1 材料与方法

1.1 试验材料与接种物

棉杆采自阿拉尔棉田，风干后粉碎，过1 mm筛

备用，物料特性见表1。

接种物为以猪粪为原料的发酵残余物，用棉秆浸提

液进行驯化，物料特性见表1。

表1 棉秆与接种物的物料特性

Table 1 Characteristics of cotton stalk and inoculums

物料

项目

棉秆接种物

含水率/% 7.00 96.21 总固体质量分数(TS)/% 93.00 3.79 挥发性固体质量分数(VS)/% . 60.35 灰分质量分数/% 10.36 39.65

C质量分数/% 56.76 3.30

N质量分数/% 1.15 0.34 木质素质量分数/% 18.35 / 纤维素质量分数/% 38.15 / 半纤维素质量分数/% 12.91 /农业工程学报2011年288

1.2 试验装置

试验装置主要由2 500 mL广口消化瓶、2 500 mL集气瓶和1 000 mL的锥形瓶三部分组成。锥形瓶用于收集从集气瓶中被排出的水，以计算产气量。消化瓶与集气瓶瓶口用胶塞塞紧，各部分用乳胶管连接，所有接口处均用石蜡和凡士林密封。

1.3 试验方法

1.3.1 原料预处理

1）高温预处理

将经粉碎的棉秆置于100℃、110℃、120℃高压灭菌锅中处理2 h。

2）NaOH预处理

将经粉碎的棉秆用蒸馏水把预处理体系含水率调为60%，以占棉秆干物质质量分数4%、6%、8%的NaOH 处理10 d。

3）生物预处理

菌种为黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium CICC40719，本文简写为PC菌）、云芝菌（Trametes versicolor CICC14001），均属于白腐菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，由本研究室驯化保藏。

称取适量经灭菌的棉秆，加入1.5倍体积（v∶w）的营养液，将经活化好的菌种接入棉秆。PC菌以孢子悬液接种，浓度为108 cfu/mL，接种量10%；云芝菌以菌块接种，按每100 g棉秆接种一个平皿的云芝菌，含水率均调节至60%，拌匀后发酵20 d。

营养液：酒石酸铵0.2 g，KH2PO4 0.2 g，MgSO4· 7H2O 0.05 g，CaCl2 0.01 g，无机盐溶液1 mL，维生素溶液0.5 mL，加蒸馏水至1 000 mL。（无机盐溶液：氨三乙酸1.5 g，MgSO4· 7H2O 3.0 g，MnSO4 0.5 g，NaCl 1.0 g，FeSO4·7H2O 0.1 g，CoSO4 0.1 g，CaCl2 0.082 g，ZnSO4 0.1 g，CuSO4· 5H2O 0.01 g，AlK(SO4)2 0.01 g，H3BO3 0.01 g，蒸馏水1 000 mL。维生素溶液：叶酸2 mg，D-泛酸钙5 mg，对氨基苯甲酸5 mg，VB1 5 mg，VB2 5 mg，VB6 10 mg，VB12 0.1 mg，生物素2 mg，烟酸5 mg，蒸馏水1 000 mL。）

对各预处理前后的棉秆样品，采用扫描电子显微镜（SEM）进行观察分析。

1.3.2 装罐发酵

装料系数为发酵罐的80%，即：2 500 mL×80%=2 000 mL；发酵液总固体质量分数为8%；C/N比均用尿素调至25∶1；接种物的接种量（接种物干物质质量占发酵原料干物质质量的百分比）为20%；发酵液pH值用稀盐酸和NaOH溶液调节并维持在6.8～7.4之间。以未经预处理的棉秆为对照，每处理做3次重复，在室温下进行发酵，平均发酵温度约为（23±2）℃。每天定时测量产气量，待产气稳定后测定各处理气体中的甲烷体积分数。

1.4 测定项目与方法

含水量、总固体（TS）、挥发性固体（VS）：沼气常规分析法[16]；灰分：依据TS、VS测定值计算；产气量：排水法测定；pH值：PHS-3C型pH计测定；CH4体积分数：NaOH碱液吸收法[17]；全C：重铬酸钾滴定法；全N：半微量蒸馏法；木质素、纤维素、半纤维素：中性洗涤法[18]。

试验结束后，综合数据进行指标分析，计算出TS产气率、VS产气率[19]。

2 结果与分析

2.1 预处理前后棉秆的表观结构变化

部分预处理前后棉秆表观结构的扫描电镜观察结果见图1。从图中可以看出，未经处理的棉秆原样外表面结构致密，规则平滑，因而不利于纤维素水解酶的结合。而经过4% NaOH与PC菌处理过的棉秆，其外表面致密的木质纤维结构已受到明显的破坏，呈现出细胞壁松弛，孔隙度增大，这样增大了棉秆的比表面积，有利于纤维素酶的结合。两者相比，4% NaOH处理的棉秆其松弛程度和空隙要多于PC菌处理。120℃高温预处理过的棉秆表面虽然也出现一些空隙，但其结构依然比较致密，与原样相差不大。因此，从处理前后棉秆的表观结构来看，NaOH预处理的效果较明显，高温预处理对棉秆的表观结构影响不大。

a. 未处理棉秆

b. 120℃高温预处理

c. 4% NaOH预处理

d. PC菌处理

图1 不同预处理条件下棉秆的扫描电子显微镜（SEM）图（×1 000）

Fig.1 Scanning electron microscopic graphs of cotton stalk in different pretreatments(×1 000)

2.2 不同预处理对棉秆厌氧发酵产气的影响

各处理日产气量和总气体产量如图2和图3所示。

从图2中可以看出，棉秆经预处理后，均能迅速启动发

酵，除了云芝处理以外，其余均从第2 天开始就有气体

产生。而未经预处理的棉秆发酵启动十分缓慢，直到第

16天后才收集到气体，且日产气量起伏较大，直到第49

天后才有较为稳定的上升趋势。

从各预处理方法来看，NaOH处理的效果最好，不同

浓度的处理有着相似的变化趋势，均可迅速产气，并都

在第14天左右达到产气高峰，此后平稳保持一个较高的

第2期 李艳宾等：不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响

2

产气水平，到第36天左右出现拐点，之后日产气量逐步下降。在3种浓度中，又以4% NaOH 处理的效果最佳，产气速率与累积产气量均要明显高于其他处理。PC 菌、云芝菌处理的棉秆分别在第16天、第20天出现产气峰值，此后产气较为缓慢，日产气量逐步下降。高温预处理棉秆在发酵前期的产气情况与生物预处理的有些类似，始终保持一个较低的产气率，但从第31天起，各温度水平的处理却一致出现日产气量增加的趋势，并在第41天左右达到一个高峰。但总体来说，高温与生物预处理的效果明显不及碱处理，其产气速率与累积产气量均要低很多。

图2 各处理日产气量随发酵时间的变化

Fig.2 Changes of daily biogas

production of different treatments

图3 各处理的累积产气量

Fig.3 Cumulative biogas production of different treatments

表2为各处理的总产气量、日均产气量、TS 产气率、VS 产气率与气体中甲烷体积分数的测定与计算结果，其中TS 产气率即单位原料干物质产气量，主要反映原料的产气潜力；VS 产气率即单位原料挥发性有机物产气量，主要反映原料有机质的转化潜力[20]。

表2 各预处理的棉秆发酵产气特性比较

Table 2 Comparison of biogas-producing characteristics of cotton

stalk in different pretreatments

预处理方法 总产气量/mL 日均产气量/ (mL·d -1) TS 产气率/ (mL·g -1) VS 产气率/(mL·g -1) 甲烷体积

分数/%

100℃ 16 824.00275.80 105.15 117.30 49.8 110℃ 17 731.00290.67 110.82 123.63 48.0 120℃

23 395.33

383.50 146.22 163.12 51.8 4% NaOH 31 022.50508.57 193. 216.30 51.4 6% NaOH 24 631.00403.79 153.84 171.74 44.0 8% NaOH 19 031.50311.99 118.95 132.69 46.5 PC 菌 14 592.50239.22 91.20 101.74 50.2 云芝菌14 406.00236.16 90.04 100.44 49.7 未处理

9 315.00

176.31

67.22

74.99

46.5

从表2中可以看出，未经处理的棉秆，其总产气量仅为9 315.00 mL ，日均产气量、TS 产气率、VS 产气率仅分别为176.31 mL/d 、67.22 mL/g 、74.99 mL/g ，而经预处理后，各产气率指标均有大幅的提升。其中NaOH 处理的效果普遍较好，4% NaOH 处理后棉秆的总产气量达到31 022.50 mL ，日均产气量、TS 产气率、VS 产气率分别为508.57 mL/d 、193. mL/g 、216.30 mL/g ，要高于有报道的稻草、麦草、柑橘渣等一些原料的产气率[20-21]，气体中CH 4的体积分数为51.4%，气体质量较好。但随着碱浓度的提高，棉秆的产气率反而有下降的趋势，可见，在选择NaOH 作为棉秆预处理方式时，应选择好恰当的浓度。

高温预处理的效果仅次于碱预处理，随着处理温度的升高，棉秆产气率也逐渐升高，这与其他相关研究结果类似[13]。其中在120℃下处理2 h 后，棉秆的总产气量可达23 395.33 mL ，日均产气量、TS 产气率、VS 产气率分别达383.50 mL/d 、146.22 mL/g 、163.12 mL/g ，各产气指标优于8% NaOH 的处理，与6% NaOH 处理的效果接近，而其气体中CH 4的体积分数为51.8%，与4% NaOH 处理相当。但高温预处理方式需要额外的能量消耗，势必增加预处理成本。

此次生物预处理选用了木质素降解能力很强的黄孢原毛平革菌（PC 菌）与云芝2种白腐菌，扫描电镜结果显示棉秆的木质纤维结构已受到微生物一定程度的破坏，其产气率较之未处理对照也均有显著提高，然而却要远低于碱处理，甚至不及高温处理。其中PC 菌处理的总产气量、日均产气量、TS 产气率、VS 产气率分别为14 592.50 mL 、239.22 mL/d 、91.20 mL/g 、101.74 mL/g ，与4% NaOH 处理的相比低了一倍多。云芝菌处理与PC 处理的指标值基本一样。这可能是白腐真菌在分解棉秆木质素的过程中产生并积累了一些抑制纤维素水解酶活性的代谢产物[4]，从而降低了白腐菌预处理对棉秆沼气发

酵的促进作用。同时，由于微生物生长代谢过程存在复杂性和多变性，不同微生物降解不同原料所需要的培养条件也各异。因此，虽然从理论上来说微生物（如白腐菌等）能够彻底降解掉木质素，从而消除阻碍纤维素酶与纤维素接触的壁垒，促进后期沼气发酵，但生物预处理目前大多仍停留在试验阶段，离实际应用还有一定的差距[12]。

综上，认为本试验所采用的几种预处理方法中，NaOH处理最适合作为棉秆沼气发酵的预处理方式，高温预处理次之，生物预处理效果相对最差。碱处理中，以4%的NaOH对含水率为60%的棉秆处理10 d，能够对后期发酵起到非常好的促进作用，此时TS产气率可达193. mL/g，按年产棉秆600～750万t，如果能充分用于沼气发酵，可生产出(1.16～1.35)×109 m3的沼气，可见开发潜力巨大。

图4 各预处理棉秆沼气发酵前后的木质素、纤维素及半纤维

素含量的变化

Fig.4 Changes of lignin, cellulose and hemi-cellulose content of cotton stalk in different pretreatments before and after biogas

fermentation 2.3 不同预处理棉秆发酵前后木质纤维素含量的变化

对各种预处理棉秆沼气发酵前后的木质素、纤维素及半纤维素含量进行了测定，并将结果以各组分在棉秆原样总固体（TS）中的含量进行表示，结果如图4所示。各处理发酵前木质素、纤维素及半纤维素的含量体现了经预处理后木质纤维组分的变化，从图4中可以看出，100、110℃的预处理对棉秆木质素的破坏很少，而120℃处理后木质素的损失率相对较大；NaOH处理和生物预处理棉秆的木质素损失较多，破坏程度较大。半纤维素含量的变化趋势与木质素的基本一致。而从发酵前纤维素的含量来看，经预处理后棉秆纤维素的损失率普遍较大，其中高温预处理后纤维素的损失率在50%以上，NaOH处理和生物预处理的也在42%～47%之间。

从发酵前后各处理木质纤维组分的对比来看，发酵对棉秆木质素的降解率均不高，其中高温预处理的降解率在8%左右；4% NaOH处理的木质素降解率相对最高，为20.36%，6%、8%的处理分别为17.88%、8.51%；生物预处理的降解率在12%～14%之间。从纤维素含量的变化来看，NaOH处理的纤维素降解率要普遍高于其他处理，4%、6%、8%浓度下的降解率分别为29.55%、30.00%、24.62%；120℃高温处理的纤维素降解率也达到26.47%，这与产气量大小的情况基本一致，说明纤维素是沼气发酵的主要有效利用组分。预处理后发酵也有效提高了半纤维素的降解率，除云芝菌处理外，其他各处理的半纤维素降解率均在40%～57%左右。

从图4中还可看出，发酵后的物料中仍残留有大量的纤维素类物质，尚具有很大的发酵潜力。

3 结 论

1）扫描电镜检测观察结果表明，经NaOH及生物预处理后，棉秆的木质纤维结构遭到较明显的破坏，而高温预处理对棉秆的表观结构影响不大。

2）相对于未经预处理对照，高温处理、NaOH处理及生物处理等方式均能有效缩短棉秆发酵启动时间，并不同程度提高棉秆产沼气的能力。其中NaOH预处理最适合棉秆沼气发酵，关键在于选择合适的碱浓度。以4% NaOH对含水率为60%的棉秆处理10 d后，以8%的总固体浓度在常温下（(23±2)℃）发酵61 d产气最多，棉秆的总产气量达到31 022.50 mL，与对照（9315.00 mL）相比，提高了233%，此时日均产气量、TS产气率、VS产气率分别为508.57 mL/d、193. mL/g、216.30 mL/g。

3）试验结果同时也显示，各处理发酵后的物料中仍残留有数量较大的纤维素类物质，说明棉秆仍未充分发挥出其沼气发酵潜力，后续研究可对碱处理的条件，如碱的种类、碱浓度及处理时间等因素进行进一步的优化。

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Effects of different pretreatment conditions on biogas production by

anaerobic fermentation of cotton stalk

Li Yanbin1,2,3, Zhang Qin1,3※, Li Wei2, Yu Longjiang2

(1. College of Life Science, Tarim University, Alaer 843300, China; 2. Institute of Resource Biology and Biotechnology, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Xinjiang Production and Construction Corps Key Laboratory Protection and Utilization of Biological Resources in Tarim Basin, Tarim University, Alaer 843300, China)

Abstract: In order to search for fitting pretreatment methods in effective anaerobic fermentation of cotton stalks, effects农业工程学报2011年292

of three pretreatments including high temperature, alkali treatment and microbial inoculation on biogas production by anaerobic fermentation of cotton stalks were studied. The pretreated cotton stalks were fermented in the biogas production experiments with total solid weight percentage of 8% under room temperature of (23±2)℃. The results showed that in cotton stalks pretreated with NaOH and microbial inoculation, the structure of lignocellulose was broken clearly, while high temperature affected the external structure indistinctively. All the three pretreatments effectively shortened the starting period of anaerobic fermentation, and improved the ability to biogas production of cotton stalks. Effects of the three pretreatments on biogas production followed the order that: alkali treatment > high temperature > microbial inoculation. Of all the conditions, the pretreatment of 4%(w/w) NaOH with 10 days treating period for cotton stalks (with 60% moisture) exhibited the best effect, which could gain the total gas production of 31 022.5 mL after 61 day fermentation. And in this fermentation, the daily average gas production achieved 508.57 mL/d, TS gas production and VS gas production reached 193. mL/g and 216.30 mL/g separately, which were much higher than those of the control and other pretreatments. This indicated that this kind of alkali treatment was the optimal, efficiently promoted biogas production in anaerobic fermentation of cotton stalks.

Key words: cotton, anaerobic digestion, biogas, pretreatment, cotton stalks