秸秆资源化制取生物絮凝剂

1、秸秆资源化制取生物絮凝剂文章编号:167l一2021(2009)01016104秸秆资源化制取生物絮凝剂陆静超,阎灵均,李大鹏,马放,魏利,姜振寰(1.哈尔滨工业大学经济管理学院,黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090)法采用不同质量分数的酸碱进行秸秆预处理试验,在此基础上采用两段式发酵方法制取生物质量分数越高越有利于提高粗纤维素含量,高温加热处理也可提高粗纤维素含量;碱液处理后稻草降解率最高可达72.47%,而酸液处理后稻草降解率最高可达44.06%;0.5%稀碱处理考虑,预处理用0.5%碱来实现是较好的选择,采用此预处理方法制

2、取的生物絮凝剂絮凝率可达到90%以上.预处理是秸秆降解的关键技术条件,秸秆经过有效地预处理后,可以作为廉价原料生产絮凝剂.关键词:秸秆;生物絮凝剂;资源化;循环经济;预处理中图分类号:TU991.2文献标志码:A0引言木质纤维素是地球上丰富而廉价的可再生资源,秸秆作为农业生产中主要的副产物,含有大量的纤维素J.目前,秸秆大部分作为饲料与源化是将秸秆经科学处理后加以综合利用,生产高附加值的产品,实现秸秆的资源化和循环利用,产生经济效益.生物絮凝剂作为一种新型,高效,无毒,无二次污染的绿色水处理剂,发酵成本高,制约了生物质原料成为可被微生物利用的发酵底料,是利用生物质制取生物絮凝剂关键环节.由于木

3、质素,半纤维素对纤维素的网状结构以及纤维素自身的晶体结构,使得木质纤维形成致密不透水的高级结构,对纤维素的水解糖化均会产生很大的影响.在生物利用纤维素的过程中,为使微生物更易于利用纤维素,必须对基质进行预处理,以降解木质素的网状结构,提高对纤维素的利用效的探索,在此基础上采用两段式发酵方法制备生物絮凝剂.1材料与方法稻草秸秆取自哈尔滨市郊,粉碎,过筛,粉碎后的稻草秸秆用水清洗去除杂质,80烘干,置物技术重点实验室开发的高效絮凝菌F2一F6及纤维素降解菌HIT一3.用不同质量分数的HSO和NaOH对烘干碱浸泡稻草10h后,一部分漂洗中和掉碱,烘干备用;另一部分进行加热处理(高压蒸汽121,收稿日

4、期:20080810基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2004CB418505);黑龙江省重大课题攻关项目(GA06C202)作者简介:陆静超(1963一),女,教授,主要从事环境生物技术和环境经济管理研究.l62沈阳建筑大学(自然科学版)第25卷10min)后再漂洗,烘干备用.采用自来水配制5g?L高岭土(山东济宁泰丰研究所出品)悬浊液作为试验水样,进行混凝杯罐试验测定絮凝效果,具体过程见文献7.絮凝效果用絮凝率¨进行表征:=(AB)/A×100,其中,A为空白水样上清液的浊度,B为待测水样上清液的浊度.2结果与分析预处理后的稻草粗纤维素质量分数发生了很大

5、变化,如表1所示.表1不同预处理方法的纤维素质量分数预处理方法W(纤维素)/%Ol%碱O.5%碱1.0%碱O.1%酸0.5%酸1.0%酸O.1%碱(H)0.5%碱(H)1.0%碱(H)0,l%酸(H)0.5%酸(H)1.O%酸(H)3836注:(H)为121高压蒸汽处理10min(a1处理前从表l中可得到这样的结论:(1)无论哪种预处理方法都使粗纤维的质量分数增加了;(2)碱液处理后粗纤维素质量分数明显增加,而酸处素被木质素和半纤维素包裹起来形成了致密结构,木质素溶于碱,所以木质素的量减少了,纤维素质量分数就增加了.虽然酸能跟半纤维素反应,但半纤维素质量分数小,影响不大;(3)碱液质量分数越高

6、越有利于提高粗纤维素质量分数,高温加热处理也可提高粗纤维素质量分数.处理前稻草纤维素与木质素,半纤维素紧密纤维的形态发生了变化,由于碱液溶掉了木质素,使里面的纤维素丝暴露出来,这样更有利于纤维了变化,用显微镜观察预处理后的稻草碎片,图1中的照片反映了不同预处理方法对稻草结构的改变情况.稻草经不同预处理方法处理后,配制成培养基:KH2PO4,1.00g;MgSO4?7H2O,0.30g;NaC1,0.10g;FeC13,0.01g;NaNO3,2.50g;CaC1,0.10g.预处理后的稻草干粉10.0g,蒸馏菌后接人HIT一3,32,140r/rain摇床培养7d,然后过滤收集未被降解的稻草残

7、渣,105oC烘干6h,冷却到室温称重.计算稻草降解率,计算方法(hJ热酸处理后(c)热碱处理后的稻草图1不同预处理方法对稻草结构的改变第25卷陆静超等:秸秆资源化制取生物絮凝剂l63为稻草降解率=醛煎塑堇力量(g2二醛唇茔渣量(发酵前稻草的投加量(g)根据各预处理方法对稻草降解率的影响结果绘制柱状图(见图2).8O706050整40逝3020100撂篷髻零图2不I司预处理方法处理后稻草的降解率从图2可看出,稀碱液预处理和稀酸液预处后稻草降解率最高可达72.47%,而酸液处理后稻草降解率最高可达44.06%,它们之间效果差异显着.碱处理中,虽然加热处理提高了纤维素含量,但对提高稻草降解率却没有

8、直接用碱进行预处理的效果好.碱质量分数越高并不是效果越好,0.5%碱处理后的稻草降解率要高于1%碱处理角度考虑,预处理用0.5%碱来实现是较好地选择.3两段式发酵方法制取生物絮凝剂一段发酵:纤维素高效糖化段,将高效纤维素降解菌菌群接入准备好的发酵物料中,完成纤维素的高效糖化过程;第二段发酵:糖化液制取生物絮凝剂段,将高效生物絮凝剂产生菌菌群接人纤维素糖化液中,制备得到复合型生物絮凝剂.在装有100mL赫奇逊培养基的三角瓶中,加入1.5g预处理后的稻草秸秆,接入纤维素降解菌HIT一3,在33,摇床转数140r/min条件边的三角瓶为未接菌的,右边的三角瓶为接人纤维素降解菌的,通过对比发现,降解后

9、的糖化液颜色明显变黄,质地变得浑浊,黏稠,残余未降解的稻草秸秆更加细小,柔软,通过物理形态的变化可以说明稻草秸秆被纤维素降解菌HIT一3很好的降解,为第二段发酵打下了良好的基础.图3纤维素降解菌HIT一3对稻草秸秆的降解将秸秆发酵液115oC条件下灭菌30min,接秆发酵液为底物,培养36h,产絮效果趋于稳定.60h时絮凝率为90%.说明稻草秸秆完全可以作为廉价碳源制取生物絮凝剂.r/h图4以稻草秸秆和葡萄糖为底物制取的絮凝剂絮凝效果从图中可以发现,与以葡萄糖为底物制取的生物絮凝剂相比,以稻草秸秆为底物制取的生物絮凝剂产絮高峰期要推后12h,无疑会增加生物灭菌后的纤维素发酵液中C/N不适合产絮

10、菌的生长,需要进一步补加适量的碳源或氮源来调整发酵液的营养比例,适应产絮菌的生长,缩短发酵时间.4结论(i)碱液预处理后粗纤维素质量分数明显增质量分数越高越有利于提高粗纤维素质量分数,一H】髻零法一I一篷_【.I删滏r0鳝0_1164沈阳建筑大学(自然科学版)第25卷高温加热处理也可提高粗纤维素质量分数.(2)预处理后稻草的显微结构发生了变化,由于碱液溶掉了木质素,使里面的纤维索丝暴露出来,这样更有利于纤维素降解菌的作用.(3)稀碱液预处理和稀酸液预处理对稻草降解率的影响,前者大于后者,碱液处理后稻草降解率最高可达72.47%,而酸液处理后稻草降解率最高可达44.06%,0.5%碱处理后的稻草

11、降解率要高于1%碱处理后的稻草.(4)产絮菌以稻草秸秆发酵液为底物,采用两段式发酵方法制取的生物絮凝剂,产絮效果比较稳定,60h时絮凝率为90%.说明稻草秸秆完全可以作为廉价碳源制取生物絮凝剂.参考文献:234余燕春.加快纤维素资源开发利用的思考J.技术经济与管理研究,1999(4):4243.初步研究J.过程工程,2003,3(5):447452.用J.生物技术通报,2002(2):2534.tionsforproductionofmicrobialflocculantbyrhodococtionerythropolisJ.Agric.Bio1.Chem,1986,50567891O12(9

12、):23092313.andmorphologicalchangesinrhodococcuserythropolisS一1J.Ferment.Bioengin,1991,72(6):498500.bioflocculantbyrhodococcuserythropolisS一1grownonalcoholsJ.Biosci.Biotech.Biochem,1994,58(2):428429.开发J.中国给水排水,2003,19(4):14.菌筛选及絮凝机理研究J.哈尔滨工业大学学报,2004,36(6):759762.laserecyclingstrategiesforthehydrolys

13、isoflignocellulosicsubstratesJ.BiotechnologyandBioengineenng,1995,45(4):328336.J.化工进展,2006,25(3):244249.liquidsandoilemulsionbyabioflocculantfromalcaligeneslatusJ.Agric.Bio1.Chem.,1991,55(4):11271129.凝剂的能量转化分析J.中国给水排水,2008,24(13):103106.ReclamationandUtilizationofStrawasBioflocculantLUJingchao,YANLi

14、ngjun,LIDapeng,MAFang,唧Li,JIANGZhenhuan(1.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,HarbinChina,150090;2.SchoolofEconomyandManagement,HarbinInstituteofTechnology,HarbinChina,150001)Abstract:Toobtainanoptimalpretreatmentconditionforthepreparationofbioflocculantfromstraw.differreachupto72.47%afteralkalitreatment,whilethatafteracidtreatmentwas44.06%.Inaddition,thedegthemicroorganismsavailabilityandthemanufacturingweretakenintoaccount.pretreatmentbyusing0.5%