碱预处理的影响来提高挥发性脂肪酸(vfa)从稻壳生产

文摘

本研究探讨了用碱性预处理提高米糠皮的水解产生挥发性脂肪酸(vfa)。这项研究调查了试剂的浓度和预处理时间对蛋白质的影响,碳水化合物,溶解化学需氧量(SCOD)预处理后解散。最佳碱预处理条件0.30克氢氧化钠(g VS)⁻¹,反应时间为48 h。实验结果表明,当比较总VFA (TVFA)收益率从alkaline-pretreated风险皮与未经处理的稻壳,超过14 d和2 d,最大值达到1237.7和716.0 mg·L⁻¹乙酸和丙酸和乙酸和丁酸,分别。碱预处理后,TVFAs增加了72.9%;随着时间的推移VFA积累增长。研究发现,碱性预处理可以改善VFA收益率从米糠皮,丁酸发酵转变成丙酸发酵。研究结果可以提供指导方针,支持米糠的综合利用和废物处理。

1。介绍

水稻是世界上最大的农作物之一。调查显示(1),6.6亿吨大米全世界每年有栽培;额外的8亿吨的农业残留物(主要是稻草)在这个过程中,生成包括稻壳(超过1.13亿吨2,3]。超过世界88%的水稻产区位于亚洲。中国水稻生产中所占的份额高达28%;稻壳垃圾的年产量高达4120万吨。印度是第二个最高的产量在3090万吨4,5]。

稻壳处理方法在亚洲国家和地区目前仅限于饲料生产和焚烧。例如,在越南的农村地区,多达70%的稻壳焚烧;印度燃烧23% (6]。有毒、有害气体,包括二氧化碳(有限公司₂),由焚烧污染环境,直接威胁人类健康7]。然而,稻壳也是一个潜在的能源。研究表明,稻壳中含有大量的有机物质;大约有20%的挥发性物质和95%以上是灰分含量(8,9]。因此,探索米糠资源的重用是一个重要的研究课题。

厌氧消化是一种有效的技术选择使用这种可再生能源资源,因为它可以生产高附加值的产品(例如,挥发性脂肪酸(vfa)和乙醇)以环保的方式(10- - - - - -12]。vfa作为一种有效的碳源在废水处理13),可以作为合成材料polyhydroxyalkanoates (pha) [14]。以往的研究大多集中在VFA生产使用剩余污泥和泔水(15牲畜粪便,尿液有机废物的厌氧发酵。几乎没有研究从稻壳VFA的生产。因此,稻壳的厌氧发酵具有显著的研究应用。

稻壳中含有大约28.6%的纤维素和半纤维素,木质素24.4%,18.4%萃取物16),它有可能被转化为单糖,随后用于不同生物燃料的生产。木质素是一种非晶态化合物组成的三个单体:p-coumaryl酒精(H)、松柏醇(G),和sinapyl酒精(S)与醚或碳碳键17]。当考虑作为厌氧VFA的原材料生产,稻壳必须打破木质素密封,预处理使纤维素和半纤维素含量对化学和酶作用(Taherzadeh卡里,2008)。因此,预处理过程是必要的高效转换VFA的木质纤维素生产。

不同的环境评估,包括超声波治疗(18,19],热处理[20.,21),酸和碱治疗(22,23),臭氧处理(24,25),联合治疗(26- - - - - -28),等等。在这些方法中,碱处理是被证明是有效地抑制产甲烷菌活动vfa积累(22,29日]。此外,碱处理治疗时间短的优势和更低的运营成本比其他高效预处理如热及臭氧治疗。此外,碱处理对木质纤维素产生效率高,特别是农业残留物(30.]。

本研究评估的有效性碱性预处理通过分析转换的碳水化合物,蛋白质,溶解化学需氧量(SCOD)预处理水解后的固体。目标是确定最优数量的碱处理时间,探索最优VFA生产,碱处理条件和分析法律与厌氧水解底物的释放有关。为后续研究提供了理论参考稻壳厌氧发酵工程。

2。材料和方法

2.1。材料

稻壳是水稻生产提供的公司(广州,中国),并准备由干燥样品成分分析45°C 48 h。残留的研磨然后渗,导致粒子大小的0.5 - 1毫米。这个粒度是用于实验。接下来,避免成分差异的样本均质和存储在塑料袋使用。表1提供了稻壳样品的物理和化学性质。

2.2。方法

2.2.1。预处理

碱性预处理测试的设计如表所示2。碱性预处理进行了混合9.76 g的稻壳氢氧化钠固体(99% w / w),从志远购买化学试剂有限公司(天津),分别。与浓度调整到16 g VS·L⁻¹使用500毫升去离子水。每次预处理后,泥浆NEWSTAR滤纸过滤(杭州)分离固体和液体。液体收集来确定总碳水化合物,蛋白质,SCOD公布每个碱剂和预处理时间的长度(从6到102小时)。目的是为了研究这些因素对后续水解的影响。图1显示了碱预处理设备。设备由一个500毫升锥形烧瓶和橡皮塞与采样端口。反应堆温度自动控制在孵化器35±1°C。在发酵过程中产生的气体收集使用排水方法。

2.2.2。厌氧发酵

碱处理的测试发现,0.30克氢氧化钠(g VS)⁻¹生成的最佳碱水平稻壳在治疗时间是48 h。图2显示了厌氧发酵装置用于后续实验。有两个样本集,标记为1 #和2 #;每个包含39.05克稻壳和去离子水的2 L。调整后的0.30 g氢氧化钠的浓度(g VS)⁻¹被添加到示例2 #。48小时后,添加10%盐酸调节pH值为7.0。这消除了剩余的碱量和启动厌氧发酵阶段产生的浓度。发酵设备被放置在一个恒温水浴(35±0.5°C),在100 r·分钟搅拌⁻¹每天6:00-8:00小时22天。没有了更多的发酵底物,发酵混合物运行期间排水(表3)。

图2显示了厌氧发酵装置。设备是由石英玻璃和密封压盖是塑料做的。内径130毫米,高度为20毫米,有效容积为2 L。密封压盖有三个洞,以适应搅拌设备,采样端口和pH值调查。搅拌器和联系人之间的密封存在的密封帽。反应堆的外层与停电的布包裹。该设备使用水浴加热到一个恒定的温度;固液混合增加使用间歇搅拌用动力搅拌器。

2.3。分析方法

总固体(TS)和挥发性固体(VS)用重量法测定31日]。使用小灵通pH值测量3 c酸度计,和蛋白质测定采用考马斯亮兰法(32]。可溶性糖蒽酮(33)和SCOD离心法测定预处理后的样本在10000 r·分钟⁻¹10分钟。通过0.45 -上层清液的过滤μm膜。SCOD决心采用重铬酸钾法(31日]。

VFA浓度(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸)使用气相色谱法测定(GC7900 CD-WAX, FID,时间),样本容量的1μl .探测器温度和入口温度为250°C和220°C,分别。列温度增加到60°C到150°C的速度5°C·分钟⁻¹然后是举行了18分钟;温度就增加到230°C的速度20°C·分钟⁻¹在10分钟。

3所示。结果与讨论

3.1。测定碱预处理的最佳条件

3.1.1。预处理的pH值的变化过程

图3显示了稻壳的pH值的变化在不同碱预处理。初始pH值在第二反应堆中,II, IV, V碱预处理后为11.89,12.18,12.34,和12.41,分别。碱添加量越大,pH值下降越慢。这是因为碱含量越高,碱性越强,越小的比重是稻壳需要治疗。pH值在第二和第三反应堆开始迅速下降,然后缓慢下降。最低分102个小时在第二和第三反应堆7.34和10.45,分别。反应堆IV和V的pH值下降缓慢,分别稳定在11.95和12.25。

它可以得出结论,在碱性预处理过程中,碱剂量越小,碱消费更重要。基本的碱完全消耗。空白组的反应堆,pH值6小时前迅速下降,然后缓慢下降。这可能是因为在0 h点,样品刚刚放在瓶,混合物的温度接近室温。后6 h(水浴加热,温度上升到35°C;温度的上升导致pH值下降。

3.1.2。预处理过程中蛋白质的变化

图4显示了米糠蛋白的变化当处理不同的碱浓度。碱量越大,越大的蛋白质筛选了稻壳。可溶性蛋白质含量在反应堆II, III, IV, V 6小时之前迅速增加,然后增加较为缓慢,达到了一个至高点,然后慢慢地减少。这是因为在早期的碱量足以迅速溶解在米糠蛋白。一旦减少碱的数量,有一个缓慢上升的趋势。随着反应时间的增加,可溶性蛋白质含量降低,因为基础作用于蛋白质,蛋白质变性,水解多肽链,最终分解成氨基酸。它还分解的影响下微生物。筛选了大量的蛋白质在反应堆II, III, IV, V在42小时达到最大值,42 h, 36 h, h和42个,分别在269年的浓度,363,392,505 mg·L⁻¹,分别。0.05克氢氧化钠的浓度(g VS)⁻¹有最好的效果在溶解蛋白质后的稻壳42治疗h。

3.1.3。预处理的碳水化合物的变化过程

图5显示了alkali-pretreated稻壳中碳水化合物含量的变化。它可以得出结论,alkaline-pretreated稻壳催化影响碳水化合物的溶解液相。碱添加量越大,溶解盐的量就越大。碳水化合物在反应堆III、IV和V经历最初的快速增加,然后继续上升。这是因为随着治疗时间的碱量减少。这降低了破坏米糠皮的纤维素结构的能力,支持快速和慢速碳水化合物溶解的趋势。第二反应器碳水化合物含量先增加,然后降低。反应堆二碱的量是足够低,碱迅速消耗。这限制了破坏纤维素的结构。同时,微生物迅速分解碳水化合物,减少他们的浓度。

碳水化合物溶解在反应堆V明显大相比其他碱治疗。48 h后碳水化合物溶解率变化;在这一点上,碳水化合物洗脱量是1237 mg·L⁻¹相比,增加了942毫克的初始水平295 mg·L⁻¹。这反映了增加初始值的3倍。第二和第三反应堆治疗,碳水化合物浓度低于600 mg·L⁻¹;增加初始浓度的只有1和2倍。因此,0.3克氢氧化钠(g VS)⁻¹治疗48 h是最适合米糠皮的碳水化合物浸出。

3.1.4。SCOD预处理过程中的变化

图6显示了数量的变化SCOD释放米糠皮当处理不同的碱浓度。碱添加量越大,越大的SCOD释放。6 h内添加碱、SCOD溶解迅速增加。反应堆SCOD水平II, III, IV, V 6 h点是2134,2246,2358,2540 mg·L⁻¹,分别。这些差异没有统计学意义。这可能是因为稻壳的溶解有机物溶解碱后迅速补充道。随着治疗时间的持续,SCOD溶解率的碱处理米糠皮逐渐放缓;所有利率改变了48 h点附近。

碱浓度越高,越快SCOD筛选了。图显示SCOD从反应堆释放我第一次的数量增加缓慢,然后迅速增加,最后稳定在90 h。在90 h点,SCOD 2140 mg·L⁻¹。当你考虑筛选了反应堆中的SCOD II, III, IV, V 6 h点,看来SCOD溶解后6 h内添加碱是由稻壳中的溶解有机物质本身。因此,基于2140 mg·L⁻¹SCOD增量的水平,548、1060、1896和2810 mg·L⁻¹对反应堆II, III, IV, V在48 h点接近的碱量补充道。因此,治疗0.30克氢氧化钠(g VS)⁻¹48 h是最适合溶解SCOD米糠皮。

上面所讨论的,总的来说,在考虑所有结果结果表明,稻壳的最佳碱处理是0.30克氢氧化钠(g VS)⁻¹48 h。

3.2。预处理对vfa生产和各种因素的影响

3.2.1之上。预处理对vfa生产的影响

图7显示了VFA水平变化的水解产物在碱性水解米糠。1 #和2 #样品的浓度先增加然后减少测试运行时间继续。VFA主要由厌氧微生物的联合行动,包括制造酸性物质水解细菌和产甲烷细菌。当比较发酵1 #和2 #样品,有巨大的差距的时机、增量变化,VFS浓度和组成。TVFA水平在2 #和1 #样品达到最大值的1237.7和716.0 mg·L⁻¹分别在14 d和2 d。当比较样品与样品1 #,2 # TVFA浓度增加了72.9%,浓度的增加的速度明显变小。

很可能在碱性预处理过程中,大量的有机物质溶解成液相。因此,VFA积累的厌氧发酵米糠后碱处理non-pretreated稻壳相比有显著提高。碱性治疗期间,稻壳携带一些厌氧微生物,这是由部分在碱性条件下不活跃。这导致有机材料来减缓VFA的厌氧发酵生产。关于VFA组件,样品1 #主要由乙酸和正丁酸。样品2 #主要由乙酸和丙酸。1 #和2 #样品代表典型的丁酸性和丙酸性发酵,分别。这可能是因为碱处理后,米糠发酵底物的性质变化,导致V vfa的成分的变化。

3.2.2。在厌氧预处理对pH值的影响vfa生产

图8显示了pH值的变化在厌氧水解米糠。样品1 #(治疗),pH值先迅速下降,在3 d达到最低点。其次是迅速增加,然后缓慢上升后稳定6 d。样品2 #(预处理)开始在一个稳定的pH值4 d后,然后开始下降,直到14 d,有上升趋势。

图7以类似的方式表明,pH值变化的浓度。霁Hongfang [34在厌氧发酵)提出,pH值的变化是很大程度上取决于酸性物质的积累,如vfa,铵根离子的释放⁺- n。因此,很可能pH值将减少由于有机物转化为vfa等酸性物质。随着运行时间的继续,酸积累慢于NH4 + - n和其它碱性物质的释放。这使得pH值上升。水平样本2 #然后开始稳定,也许是因为盐酸碱处理后还没有完全形成。

3.2.3。在厌氧预处理对蛋白质的影响vfa生产

在厌氧发酵过程中,蛋白质分解成浓度。本研究分析了影响米糠vfa的蛋白质的变化。图9显示了厌氧发酵过程中蛋白质含量的变化稻壳和没有碱性预处理。当比较样品与样品1 # 2 #(预处理)(治疗),蛋白质浓度在示例2 #液相明显更高,与最大值达到最初的厌氧发酵。这是由于碱性处理稻壳,溶解大量的蛋白质和可溶性蛋白形成。样品2 #,在测试运行时,蛋白质迅速下降,直到7 d点,之后下降也慢了下来。

1 #样品中蛋白质含量降低整个厌氧水解过程;通常蛋白质含量先下降,然后缓慢上升。蛋白质含量改变由于水解厌氧微生物对稻壳和转换的影响对蛋白质水解蛋白酶。图7表明样品2 #缓慢上升6 d的厌氧发酵,而蛋白质迅速退化。这表明,蛋白质的溶解和退化的稻壳在厌氧发酵浓度没有显著相关。稻壳中的蛋白质含量很低,和VFA浓度很小。然而,尽管似乎protein-VFA分解和转化率低,刘振国方(34)发现,与碳水化合物废水和甘油废水相比,蛋白质利用率和vfa废水产生的蛋白质是最低的。这可能是因为,蛋白质是《生物水解效率低。同时,蛋白质将进行脱氨基作用在厌氧条件下,大量的游离氨是剧毒,这将抑制制造酸性物质微生物的活动,从而在低浓度的生产。

1 #样品的蛋白质含量增加缓慢地在后者阶段。这可能是由于厌氧微生物酶的释放,增加可溶性蛋白质含量。

3.2.4。预处理在碳水化合物厌氧浓度的影响生产

图10显示了碳水化合物水平变化在厌氧发酵米糠的水和碱性预处理。样品2 #(预处理),碳水化合物水平达到初始值,然后迅速下降,直到14 d后,稳定。样品1 #(治疗),碳水化合物水平开始在其最大价值。厌氧水解1 d后,碳水化合物水平迅速下降,然后稳定;碳水化合物仍明显高于样本比1 # 2 #在整个厌氧水解过程。

这一结果是由于碳水化合物的变化形成的水解细菌在碳水化合物溶解和酸化细菌降解。图7表明,碳水化合物的降解率在1 #和2 #样品与TVFAs非常相似的趋势。它可以得出结论,在米糠发酵过程中碳水化合物含量在生产中起主导作用的浓度在厌氧发酵。在稻壳的厌氧发酵,酸发酵为丁酸和丙酸。这是因为碳水化合物形成样品1 #主要是淀粉,而碳水化合物在示例2 #主要是由稻壳纤维素结构的破坏。然而,科恩(35)和Zoetemeyer et al。36]发现丁酸发酵产生酸机理的厌氧发酵过程中可溶性碳水化合物(如葡萄糖、乳糖、蔗糖和淀粉)。朱光(37)表明,丙酸发酵纤维素的厌氧水解过程负责。

3.2.5。预处理在SCOD厌氧浓度的影响生产

在发酵肉汤,SCOD包含vfa,碳水化合物、可溶性蛋白质、氨基酸、脂类、胡敏酸(38]。图11显示了在使用稻壳SCOD的变化。示例2中的SCOD水平明显高于#(预处理)比1 #(治疗)。示例2中的SCOD #达到最大程度,然后开始慢下来,直到14 d。

在示例1 #,SCOD先增加,然后降低。它可以得出结论:样品1 #的结果是由于厌氧微生物和酶水解。这发生在细胞内外发布的联合行动液相中的有机物质,结合有机质的分解。这导致SCOD初期增加,紧随其后的是一个下行的趋势。

样品2 #,预处理后,大量的可溶性有机物进入液相。随着可溶性有机物在厌氧条件下转换到酸化和产甲烷阶段,SCOD逐渐下降,直到单糖,vfa等小分子有机物被耗尽。然后,SCOD稳定。如图7所示,TVFAs下降迅速达到最大值后14 d。这引起了SCOD快速下降。与示例1 #相比,TVFA生产增加样品2 #由于SCOD的增加内容。

4所示。结论

(1)不同的碱值被用来评估变化的蛋白质、碳水化合物、SCOD米糠皮的内容。最有效的稻壳治疗0.3克氢氧化钠(g VS)⁻¹治疗一段48 h。(2)vfa的碱性预处理有效地增加了由米糠皮的厌氧发酵。它也改变了奇怪的甚至产生的vfa的特征。(3)在厌氧发酵米糠皮,碳水化合物和pH值的影响是最重要的。pH值的变化可能反映了vfa的变化。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现是由市政工程主管部门许可,所以不能免费提供。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢广州大学的支持。这个项目是由中国国家自然科学基金资助(批准号21207023)和广东省自然科学基金(批准号2017 a030313273)。

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