改善发酵氢和甲烷从藻类生产到生产水热/蒸汽酸预处理外文翻译资料

 2021-11-27 21:49:41

改善发酵氢和甲烷从藻类生产到生产水热/蒸汽酸预处理

摘要

可以收获藻类大量繁殖作为可再生生物质废物用于气态生物燃料生产。然而，原藻的刚性细胞结构可能阻碍有效的微生物转化以产生生物氢和生物甲烷。为了提高能量转换效率，在连续深色氢发酵和厌氧消化之前，对滇池藻华的生物量进行水热/蒸汽酸预处理。X射线衍射和傅里叶变换红外光谱的结果表明，水热酸预处理导致由于酸预处理导致的无定形结构（包括半纤维素和无定形纤维素）的更强破坏，如结晶度指数更高所证明。扫描电子显微镜分析显示，预处理后藻类细胞表面出现较小的片段（~5 mm）和较宽的细胞间隙（~1 mm）。与蒸汽酸预处理相比，水热酸预处理导致大能量转换效率为44.1％以及产生24.96mL H2/ g总挥发性固体（TVS）和299.88mL CH4/ g TVS。

关键词：滇池 藻类 开花 氢 甲烷 水热预处理

介绍

滇池是中国云南省最大的淡水湖，每年都有藻类爆发。截至2017年12月，滇池水质仍处于富营养状态。2017年夏季，每天 捕捞100多吨藻类生物质，对生态环境造成极大危害。然而，这种大量的藻类也可以用作潜在的原料发酵生物燃料的生产，正如许多关于藻类生物质生物氢生产的 研究所证明的那样。已经通过黑暗发酵评估了不同的藻类物种，例如小球藻（Chlorella）和节旋藻（Arthrospira）的生物氢潜力。为了进一步改善原藻的能量回收，已开发出各种预处理方法，如蒸汽，超声波和微波处理。此外，黑暗发酵过程已经过优化，以克服抑制作用发酵中间体（如乙酸）对氢产率的影响。除了在发酵过 程中产生氢气外，还产生大量挥发性脂肪酸并保持为未利用的 能量。以往的研究表明，随后的光照发酵或厌氧消化可以提高 微藻生物量的生物燃料产量和能量转换效率。

研究人员利用从太湖藻类中采集的生物质来生产氢气，每克干生物质重量产生1.1千焦氢（g-TVS）。然而，在生物质的一步暗氢发酵过程中能量转换效率非常低。在该研究中，“一阶段”是指暗氢发酵或厌氧消化的过程，“两阶段”是指暗氢 发酵和厌氧消化的组合过程。在另一项研究中，用酸驯化的氢 化物原子预处理的太湖藻类生物量，通过共同产生256.7 mL / g-TVS氢气，使能量转换效率提高了47.0％。采用深色发酵，光致发酵和产甲烷作用的三阶段过程中的253.5 mL / g-TVS甲烷。值得注意的是，尽管提高了氢产量， 但在计算能量转换效率时未考虑输入光能。钟先生发现太湖藻类的厌氧消化在实验室规模的厌氧反应器中是可行的。这些反应器在2.00gVSL-1d-1 的OLR下表现良好，用于产生甲烷，在HRT为10天时VS去除率为50％;然而，限速步骤是乙酸盐和丙酸盐降解。关于太湖藻类生物量和厨余垃圾共消化的研究也很多或猪粪。通过共同消化太湖藻类和其他生物质来调节C/N以增加沼气产量的可行性得到了证明。然而，没有考虑如何单独增加藻华的氢气和甲烷的产量。迄今为止，关于利用滇池藻华生物量用于沼气生产的研究很少。此外，一种提高生物燃料产量的有效预处理方法仍不清 楚，因为未加工的微藻不被认为是沼气生产的最佳基质。另外，单级氢或甲烷产生的能量转换效率不高，并且乙酸盐降解限制了发酵速率。此外，应定量表示预处理后微藻生物质的降解效果。

在该研究中，将从滇池藻类收获的生物质用作发酵的原料。这种生物质主要由微囊藻组成，其组成与太湖不同。检查水热/ 蒸汽酸预处理以提高藻类生物质的水解效率。使用X射线衍射（XRD），傅里叶变换红外（FTIR）光谱和扫描电子显微镜（SEM）比较评估预处理前后藻类生物质的物理化学性质。在不 同条件下预处理的生物质经历两阶段氢气和甲烷共生，以努力提高总能量转换效率。

材料和方法

基材和表征

发酵实验中使用的底物是从滇池（云南省昆明市）收获的藻华生物 量 。形 态 学 分 析 表 明 ， 微 囊 藻 （ Microcystis wesenbergii）和铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosaare）是优势种，占湖泊琼花开花生物量的40％~80％。通过气浮，干燥和研磨处理收获的藻类生物质生物质用于进一步实验。在使用前将原始底物在-20℃ o冷冻保存。通过在100℃ oC的烘箱中干燥样品直至总质量恒定来测量生物质的水分含量。通过在450 oC加热2小时来测定TVS和灰分的含量。总碳水化合物，脂质和热值通过我们先前研究中描述的方法测定。使用XRD（X 射线衍射仪，Rigaku MiniFlex 600），FTIR（气相色谱-傅里叶红外光谱仪，SGE，Agilent 6890，Nicolet 5700）和SEM（ 台式显微镜，TM-1000，）观察滇池藻类的微观结构。HITACHI）。

藻类生物质预处理

许多研究表明，对于各种藻类生物质，微波，蒸汽和其他预处理方法的最佳预处理温度在135 -140 ℃范围内，最佳预处理时间为15-20分钟。当预处理温度低于135 ℃或预处理时间短于15分钟时，对生物质中顽固组分的损害不足，结果大分子多糖如纤维素不能完全降解为小分子还原糖。当预处理温度高于140℃或预处理时间超过20分钟时，还原糖和蛋白质之间发生美拉德反应，导致还原糖产量和发酵生物气产量下降。还有许多研究表明，对于各种藻类生物质，预处理中酸（如硫酸）的最佳浓度为1％-2％。在使用滇池藻类生物质作为原料的发酵实验后，发现用1％硫酸预处理的纤维素组合物降解强度不足。因此，我们的预处理实验选择了2％的硫酸浓度对滇池藻类生物量进行两种预处理方法：（1）在水热反应器（Parr Instrument 4500，USA）中用稀酸进行水热加热称为水热预处理。简言之，将5g藻类生物质和100mL稀硫酸（2％v / v）加入250mL水热反应器中。然后将混合物加热至135℃15分钟。（2）用高压蒸汽加热，称为蒸汽预处理，在高压釜（Sanyo MLS-3780，Japan）中进行。简言之，将5g藻类生物质和100mL稀H2SO4 （2％v / v）加入到417mL玻璃发酵瓶中。然后将混合物在高压釜中加热至135℃15分钟。

如先前的研究中所述，通过3e5二硝基水杨酸方法测定预处 理后的还原糖含量[27].使用以下公式计算还原糖产率的理论最大值：(C6H10O5)n nH2O/nC6H12O6还原糖与理论值（％）的比率定义为预处理和水解后还原糖（g）与滇池藻类的理论还原糖产物（g）的重量比。

接种

从中国浙江省湖州市的沼气厂收集的厌氧消化污泥中获得了用于深色氢发酵的接种物。原始污泥含有多种微生物，包括产氢 细菌和产甲烷菌。为了使产甲烷菌失活，将污泥在高压釜中在100℃加热30分钟。然后培养污泥以富集产氢细菌的丰度。通过16srRNA基因分析鉴定的暗氢发酵细菌的主要种类是酪酸梭菌（Clostridium butyricum）。用于厌氧消化的接种物来自中国湖州的同一沼气厂。将原始消化物在厌氧工作（Whitley DG250，UK）中于35℃脱气14天，以确保在实验前剩余底物耗尽。通过16S rRNA基因分析 鉴 定 的 产 甲 烷 菌 的 主 要 种 类 是 Methanosarcina 和Methanothrix。

黑暗发酵和厌氧消化

许多研究表明，对于微藻，厨余垃圾，木薯渣和其他生物质，发酵中的底物浓度一般在10 g / L-20 g / L范围内。一些研究人员将微藻的发酵浓度设定为3克VS。当底物浓度低于10g / L时，有机负荷太低而不能在发酵过程中为产氢微生物提供足够的营养水平。然而，当底物浓度高于20g / L时，有机负荷对于微生物的生长和代谢可能太高。因此，每个发酵罐中添加的藻类生物量设定为3 g-TVS，相当于10G-tvssl。在这些报道的研究中，通常选择产氢细菌的接种物为25mL。然后基于TVS比为1：2（底物与接种物），用产甲 烷接种物接种流出物。通过暗氢发酵生产的生物氢在417mL玻璃反应器中进行。将 底物（100mL预处理溶液-5g滇池藻类生物质当量）和产氢接种 物（25mL）加入每个反应器中。用蒸馏水将总液体体积调节至300mL。将初始pH调节至用6M NaOH和6M HCl 6.0plusmn;0.1。然后使用硅橡胶塞将反应器密封并用氮气吹扫气体保持8分钟，以维持厌氧环境。暗氢发酵实验在水浴中进行72小时，其保持在35.0℃。氢生产实验分三组进行，一式三份进行。第1组用稀酸，175 mL蒸馏水和水蒸气预处理后，含有100 mL藻华悬浮液25 mL产氢接种物。在用稀酸，175mL蒸馏水和25mL产氢接种物进行蒸汽预处理后，第2组含有100mL藻类悬浮液。第3组含有 5g未经预处理的藻华悬浮液，275mL蒸馏水和25 mL产氢接种物。在深色氢发酵后，使用6M NaOH将流出物调节至pH 8.0plusmn;0.1，然后根据TVS比例1：2（底物与接种物）接种产甲烷接种物。在厌氧消化期间每个反应器的总工作体积为300mL，包括来自黑暗发酵的120mL流出物，150mL产甲烷接种 物和30mL蒸馏水。然后将反应器密封，用氮气吹扫8分钟以确保厌氧环境，并保持在35.0℃。厌氧消化实验进行25天。对于每组，分别使用没有暗氢发酵的厌氧消化的实验条件作为对照组。

分析方法和计算

使用配备有热导检测器（GC-TCD; Agilent 7820A，USA）的气相色谱（GC）系统测定氢气和甲烷浓度。根据顶空气体的量和 组成以及总体积计算氢气和甲烷产率。使用配备有火焰离子化 检测器（GC-FID; Agilent 7820A，USA）的GC系统测定可溶性代谢产物（SMP）组合物。使用Origin 8.0软件拟合改进的Gompertz方程（如下所示） 并获得氢产生动力学参数。Hfrac14;HmEXP {-exp [RmE（LT）/ HmTH1]}其中H是氢产率（mL / g-TVS）;Hm 是最大氢产率（mL / g- TVS）;Rm 是产氢的峰值速率（mL / g-TVS / h）;l是制氢延迟时间（h）;t是氢生成时间（h），l是滞后期（h）。能量转换效率（ECE）定义为氢气和甲烷的能量值与藻类生 物质的总热值之比[36,37].结果和讨论

预处理前后藻类生物量的表征

TVS占原始藻华总重量的55％，藻类生物质的热值为25.17 kJ / g。干藻类生物质由36.60％灰分，15.13％碳水化合物，38.30％蛋白质和2.54％脂肪组成。可以看出，无论采用哪种预处理方法，碳水化合物的比例显着下降，但N元素的比例增加。这是因为在预处理后，大分子碳水化合物被降解成小分子可溶性还原糖，然后将其溶解在液体部分中。与蒸汽预处理相比， 水热预处理导致碳水化合物含量低得多，这表明水热预处理对碳水化合物降解具有更强的影响。当液体部分中的还原糖含量较高时，其促进氢生成和随后的产甲烷作用更有效。未经预处理的藻类还原糖的产率非常低，为理论最大产率的3.6％。在水热或蒸汽预处理后，还原糖产率达到理论最大 产率的75％以上。在水热预处理过程中加入稀酸可显着提高糖 产率至94.5％。藻类生物质的原始细胞结构非常完整，大分子 碳水化合物难以水解。水热和蒸汽预处理通过破坏细胞和水解 大分子糖显着提高了藻类生物质的水解速率。水热处理是指利用水的特殊性质，降解，溶解，氧化和合成存在于高温高压水中的各种物质的反应过程。水热预处理后 藻华生物量的发酵效果优于蒸汽预处理，可能是由于以下几个 方面。首先，当在相同的温度，处理时间和酸浓度下处理时， 由于水热反应器的体积较小，水热预处理的压力高于蒸汽预处 理的压力，从而促进细胞壁的破坏和细胞内容物的流出。这可 以使大分子的水解效率更高。其次，水热反应的传热是通过传 导进行的，允许快速加热和更好的温度保持效果。蒸汽反应的 传热是通过生物质和蒸汽之间的传导和对流进行的;因此，加热效果不如水热预处理快。更好的加热效果导致大分子多糖的 更高水解效率，这有利于随后的发酵实验。为了进一步揭示预处理后藻类的物理化学变化，通过XRD， FTIR检测生物量和SEM。XRD谱用于表征水热和蒸汽预处理后藻类生物质的结晶纤维素和无定形纤维素的比例（ 图。1). 在光谱中， 2q = 20e21o代表高度结晶纤维素的区域，2q = 18o代表无定形纤维素的区域。由于纤维素涂有坚韧的木质素，未经预处理的藻类 生物量没有显示出特征峰。可以使用Segal的经验公式计算样 品的纤维素结晶度指数（CrI）。而水热酸预处 理的藻类生物质的CrI为42.7，蒸汽酸预处理的藻类生物质的CrI为33.7。水热或蒸汽预处理后的较高CrI表明无定形纤维素 有效降解，而结晶纤维素更难降解，因此增加了CrI。FTIR光谱用于表征预处理前后官能团的变化。在水热或蒸汽预处理后，1430cm处的吸收峰-1 显着减弱。该峰值归属于CH2 弯曲振动，这是纤维素的特征峰。该观察结果是由于部分纤维素在预处理后降解的事实。在预处理之前和之后，在1638cm-1 1558cm-1 处的吸收峰明显存在。这些峰归因于乙酰基或羧酸CaO的拉伸振动或芳族CaC的拉伸振动，它们是木质素的特征峰。这些结果表明木质素不能通过水热或蒸汽预处理有效降解。1430cm处的吸收峰-1 代表结晶纤维素区域。898cm处的吸收峰-1 代表结晶和无定形纤维素的区域[39].通过计算横向指数（LI），通过水热加热和用稀酸蒸汽加热15分钟预处理的藻类生物质的FTIR光谱。

吸收率A1430cm-1/ A898cm-1，可以分析结晶纤维素在总纤维素中的比例。未经预处理的藻类的LI为0.874，而水热加热预处理的 藻类为0.985，蒸汽加热预处理的藻类为0.966。预处理后，藻 华生物量显示出高比例的结晶纤维素，表明水热和

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