木聚糖酶對牛糞厭氧干發酵產沼氣的影響

張陳 CAMARA ZOUMANA 蘇有勇

摘要 為了提升牛糞產沼氣性能，通過批式厭氧干發酵的方式考察木聚糖酶對牛糞產沼氣的影響。在發酵溫度55 ℃，總固體物（TS）濃度為40%，接種物含量30%，添加原料質量1%的木聚糖酶來進行牛糞厭氧干發酵。結果表明，木聚糖酶的添加不能縮短產沼氣周期，但能提升沼氣產量。試驗組累計產氣量為9.9 L，比對照組提升了22%，原料產氣率為0.25 L/g，池容產氣率為0.73 m3/（m3·d）。產氣過程與一般原料產氣過程類似，但發酵周期較長。該試驗結果為牛糞的高效利用提供了一個有效途徑。

關鍵詞 牛糞;木聚糖酶;干發酵;產氣率

中圖分類號 S 216.4? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）20-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.058

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Xylanase on the Biogas Production by Anaerobic Dry Fermentation of Cow Manure

ZHANG Chen，CAMARA ZOUMANA，SU You-yong （Faculty of Agriculture and Food，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan? 650504）

Abstract In order to improve the biogas production performance of cow manure，the effects of xylanase on the biogas production of cow manure were investigated by batch anaerobic dry fermentation.Under the conditions of the fermentation temperature 55 ℃，total solids（TS） concentration 40%，inoculant content 30%，1% of xylanase was added to make anaerobic dry fermentation of cow manure.The results showed that the addition of xylanase could not shorten the biogas cycle，but it could improve the biogas production.The cumulative biogas production of the experimental group was 9.9 L，which increased by 22% than that of the control group.The biogas yield of raw materials was 0.25 L/g，and volumetric biogas yield was 0.73 m3/（m3· d）.The biogas production process was similar to that of general raw materials，but the fermentation cycle was longer.This experiment results provided an effective way for the efficient use of cow manure.

Key words Cow manure;Xylanase;Dry fermentation;Biogas yield

基金項目 國家自然科學基金項目（51466004）。

作者簡介 張陳（1995—），男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向：生物質能和分子生物學。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事生物質能源研究。

收稿日期 2021-02-03

近年來，隨著國民生活水平的提高，畜牧業得到前所未有的發展。2015年我國奶牛存欄量約1 200萬頭，在2020年養殖業帶來的畜禽糞便將超過40億t，每年產生大量的牛糞，但利用率低[1-3]。牛糞中含有很多未被利用的氮磷鉀和轉化積累的硫化物等有害物質，對周圍水體、土地和空氣造成嚴重的污染[4-5]。但是，牛糞富含粗纖維和有機質，碳氮比接近20∶1～30∶ 是厭氧發酵的優質原料來源[6-8]。牛糞中的纖維素含量限制著牛糞厭氧發酵的產氣性能。纖維素是一種由β-D吡喃葡糖糖通過1-4糖苷鍵組成的無支鏈結構[9]，一般被半纖維素和木質素包裹[10-11]。國內外學者大多通過破壞木質纖維素之間的交聯結構來增加發酵微生物與原料之間的可及性，主要是通過物理、化學或生物3種方式。Sapci[12]通過微波預處理農作物秸稈，對產沼氣性能沒有明顯的提升。He等[13]通過添加6%的NaOH預處理水稻秸稈，使產氣率提

升了27.3%～64.5%，并從原料結構方面詳細闡述了NaOH預處理對原料的影響。Wang等[14]利用黑

曲霉產生的纖維素酶預處理玉米秸稈，使沼氣產率提升

36.9%。這些方式

都有各自的優缺點，物理法和化學法對環境或設備都有一定的破壞作用，生物法有作用緩慢、成本高等特點，從而使纖維素類原料在用作產沼氣時還有很大的提升空

間。該試驗所用的木聚糖酶能降解大部分植物組織中的木聚糖，而木聚糖是半纖維素的主要成分，木聚糖被認為維持植物纖維內聚結構完整性的重要成分。Collins等[15]和邢玲等[16]通過添加木聚糖酶水解玉米芯提高了單糖的得率，這也說明在牛糞處理中添加木聚糖酶的可行性。筆者通過發酵過程中添加木聚糖酶來考察對產沼氣性能的影響，以期通過添加木聚糖酶促進產沼氣性能，并通過干發酵的方式節減少廢水處理，解決當前環境污染的現狀并且緩解當前能源危機。

1 材料與方法

1.1 材料

牛糞：收集云南省昆明市附近養殖場新鮮牛糞，用保鮮袋封口，備用。接種物：取自昆明理工大學農業與食品學院農業環境與能源工程研究室豬糞發酵結束后的活性污泥。原料基本特性見表1。

1.2 試驗裝置

批量發酵試驗裝置為實驗室自制沼氣發酵裝置，具體裝置如圖1所示，主要由恒溫水槽、發酵瓶和集氣裝置組成。恒溫水槽用溫控儀連接著加熱棒和溫度傳感器構成，水槽底部的循環水泵用于保持整個水槽水溫一致。用1 L容積的玻璃瓶作為發酵瓶，瓶蓋上有放氣閥和軟管作導氣管連接到集氣裝置，集氣裝置外側粘有經過標定的刻度線，用于讀取產氣量。

1.3 試驗方案 試驗總發酵體系為400 g，TS含量為40%，接種物含量為30%，用沼液補足質量。水解酶添加量為原料的1%，即添加2.56 g。該試驗設置1個空白對照組和2個平行試驗組，具體物料添加見表2。發酵溫度在沼氣發酵能正常產氣的前提下，接近水解酶的最適溫度，由于該試驗添加的水解酶是木聚糖酶，為了達到最佳酶活效果，故發酵溫度設置為（55±1）℃。發酵啟動前和發酵結束測定發酵體系的TS、揮發性固體物（VS）和pH，發酵過程中測定每日沼氣產量，由于發酵總固體物含量較高，每天2次搖勻發酵瓶。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 物料TS和VS含量的測定。參考文獻[17]的方法測定物料TS和VS含量。

1.4.2 pH的測定。使用pHS-3C酸度計測定pH。

1.4.3 產氣量。根據儲氣罐上的刻度確定產氣量。

2 結果與分析

2.1 木聚糖酶的添加對產氣量的影響

此次發酵共38 d，每天測得的產沼氣量取平均值，繪制折線圖，如圖2所示。從圖2可以看出，試驗組和對照組均出現2個產氣高峰，此后日產氣量逐漸降低，這與大多數原料的產氣規律類似。在第1天出現一個產氣高峰，此后日產氣量減少，試驗組和對照組分別在第5天和第6天出現第2次產氣高峰，且均高于第1次產氣高峰，這與一般原料的產氣規律不同，在易降解原料中第1次產氣高峰明顯高于第2次產氣高峰。劉榮厚等[18]利用蔬菜廢棄物厭氧發酵產沼氣第1次產氣高峰約為第2次產氣高峰的5倍。該試驗所用的原料木質纖維素類原料占27.88%，發酵前期水解產酸階段水解產酸類菌株增殖較慢，揮發性脂肪酸產量少，導致產氣類菌株原料利用不足，產氣量較少。此次發酵后期較長，試驗組從第2次產氣高峰到發酵結束產氣量占總產氣量的89.0%，對照組也達到80.6%，這也與牛糞中木質纖維素類含量較多有關。

從整個發酵周期來看，木聚糖酶的添加沒有明顯加速厭氧干發酵，但添加木聚糖酶的試驗組日產氣量普遍高于對照組，尤其是第1個產氣高峰，可見木聚糖酶能促進日產氣量的提升。

試驗期間累計產氣量的變化見圖3。從圖3可以看出，試驗組和對照組在發酵周期前4 d差別不大，從第5天開始試驗組累計產氣量大于對照組。試驗組和對照組均緩慢增加至發酵結束，試驗組累計產氣量為9.9 L，而對照組約8.1 L，說明木聚糖酶的添加有利于沼氣產量。發酵初期可能是由于發酵體系不穩定，pH、溫度等因素降低酶的活性，導致二者累計產氣量差別不大。

2.2 木聚糖酶的添加對產氣率的影響

從圖4可以看出，TS產氣率、池容產氣率與累計產氣量均成正比，符合一般產沼氣規律。試驗組TS產氣率、池容產氣率和累計產氣量均大于對照組，說明木聚糖酶的添加能增加產沼氣性能。原料產氣率能反映出原料轉化成沼氣的效率，試驗組產氣率為0.25 L/g，略高于對照組，但比其他原料偏低，說明通過添加水解酶來促進牛糞干發酵產沼氣性能還有很大的空間。池容產氣率一般反映利用單位發酵體積單位時間所產沼氣的性能，更能直觀反映發酵空間利用率和時間利用率。由于此次發酵為干發酵，所以比一般濕發酵的空間利用率高。該研究中試驗組的池容產氣率為0.73 m3/（m3·d），高于一般文獻所報道的池容產氣率[19-20]。

3 結論

該試驗主要考察木聚糖酶的添加對牛糞厭氧干發酵的影響，得到以下結論：

（1）是否添加木聚糖酶沒有明顯加速牛糞厭氧干發酵的周期，且與其他原料相比產沼氣周期較長。

（2）試驗組和對照組均符合一般原料的產沼氣規律。從累計產氣量、原料產氣率和池容產氣率來看，木聚糖酶的添加能提升產沼氣性能。

該試驗結果表明，提升牛糞厭氧干發酵產沼氣性能還有較大的提升空間，至少在縮短產沼氣周期上還有一些工作可以進行。面對越來越多的原料冗余，對環境的壓力也不容小覷，通過厭氧干發酵產沼氣能緩解一部分環境污染和能源短缺的問題。

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