稻秸酶解和沼氣發(fā)酵臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)研究

王殿龍 艾 平 張衍林

(1.淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院， 淮安 223003； 2.江蘇省生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與過程集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 淮安 223003；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070)

0 引言

近年來由于能源問題和全球變暖問題，可再生能源受到了廣泛關(guān)注[1]。利用木質(zhì)纖維素原料水解糖化產(chǎn)乙醇和沼氣發(fā)酵是非常重要的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)[2-3]。我國秸稈類生物質(zhì)資源豐富[4]，價(jià)格低廉，其成分主要為32%～47%的纖維素、19%～27%的半纖維素和5%～24%的木質(zhì)素[5]。纖維素主要分布在結(jié)晶區(qū)，而半纖維素主要在非結(jié)晶區(qū)[6]。研究表明纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)限制了木質(zhì)纖維素的利用，使生物煉制過程中纖維轉(zhuǎn)化率和能源產(chǎn)量降低[7]。因此，多采用預(yù)處理技術(shù)破壞細(xì)胞壁的化學(xué)結(jié)構(gòu)，提高木質(zhì)纖維素糖化和發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效率[8]。

臭氧預(yù)處理一直被認(rèn)為具有較好的木質(zhì)素去除能力，而且纖維素和半纖維素的損失較少。也有研究發(fā)現(xiàn)臭氧通過選擇性地與碳碳雙鍵反應(yīng)、斷裂糖苷鍵，使木質(zhì)素分解[9]，而且臭氧對木質(zhì)素的氧化作用使得木質(zhì)素結(jié)構(gòu)濃縮。WU等[10]也發(fā)現(xiàn)臭氧預(yù)處理可有效去除木質(zhì)素，而且臭氧用量越高，脫木質(zhì)素效果越好，還原糖產(chǎn)量越多。

另外，由于氨水可有效地脫除木質(zhì)素，因此眾多學(xué)者廣泛地研究了氨水浸泡預(yù)處理[11]。研究表明氨水預(yù)處理可去除稻秸中60%的木質(zhì)素，達(dá)到70%的酶解消化能力[12]。對于氨水預(yù)處理，學(xué)者提出纖維擴(kuò)張理論，即氨分子的逐漸滲透使得生物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)膨脹，增加生物質(zhì)表面積[13]；另外，氨可以選擇性地與木質(zhì)素的各個(gè)鍵反應(yīng)，尤其是C—O—C鍵、酯鍵和醚鍵，選擇性地移除生物質(zhì)中的木質(zhì)素。更重要的是，氨水處理成本低，氨易回收。LI等[14]通過浸泡氨水預(yù)處理有效提高了葡萄糖和乙醇產(chǎn)率；也有研究發(fā)現(xiàn)氨水預(yù)處理的脫木質(zhì)素能力與沼氣產(chǎn)量呈正相關(guān)[15-16]。

基于此，本文提出采用臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理稻秸，采用臭氧處理破壞木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，降低對纖維素和半纖維素的影響；然后采用浸泡氨水處理，通過氨水與木質(zhì)素中的酯鍵和醚鍵反應(yīng)，進(jìn)一步溶解木質(zhì)素，使得纖維膨脹，增加與厭氧菌或者纖維素酶的接觸面積，提高轉(zhuǎn)化效率。通過控制臭氧用量和氨水浸泡時(shí)間，考察臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對酶解單糖質(zhì)量濃度、還原糖質(zhì)量濃度和木質(zhì)纖維素組分的變化規(guī)律，同時(shí)也研究臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效果的影響，分析沼氣產(chǎn)率、稻秸木質(zhì)纖維素組分和結(jié)晶度變化，揭示臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理稻秸的纖維降解機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

稻秸取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻田，自然風(fēng)干后粉碎備用；接種污泥取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)正常運(yùn)行的以豬糞為發(fā)酵原料的戶用沼氣池，具體實(shí)驗(yàn)原料參數(shù)如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)原料的特性

Tab.1 Characteristics of experimental materials%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1稻秸臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理酶解實(shí)驗(yàn)

臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理實(shí)驗(yàn)中，首先將稻秸和去離子水混合使其含水率為40%，取16.67 g濕秸稈(含10 g干物質(zhì))放入不銹鋼反應(yīng)器進(jìn)行臭氧預(yù)處理，XKH-YA10G型臭氧發(fā)生器的臭氧產(chǎn)生質(zhì)量濃度為16.67 mg/L，流速控制在10 L/min，臭氧預(yù)處理時(shí)間為0、15、30、45、60、75 min，則臭氧用量分別為0、0.25、0.5、0.75、1.0、1.25 g/g(以秸稈質(zhì)量計(jì))，臭氧預(yù)處理完成后，將秸稈置于45℃干燥箱；然后，取臭氧預(yù)處理后的稻稈7.5 g，加入100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%～28%的氨水，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，密封瓶口后置于50℃水浴鍋中浸泡0、2、4、6、8、10 h，預(yù)處理完成后，固體樣品經(jīng)通風(fēng)櫥下洗滌、干燥后進(jìn)行組分測定和酶解實(shí)驗(yàn)。聯(lián)合預(yù)處理過程中，當(dāng)研究臭氧用量影響時(shí)，氨水浸泡時(shí)間設(shè)定為4 h；當(dāng)研究氨水浸泡時(shí)間影響時(shí)，臭氧用量采用0.75 g/g。

在酶解過程中，取3 g臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理后的稻秸，加入乙酸-乙酸鈉緩沖溶液(0.05 mol/L，pH值4.8)60 mL。纖維素復(fù)合酶(β-葡聚糖酶活力大于等于6×104U，纖維素酶活力大于等于600 U，木聚糖酶活力大于等于1×105U)來自寧夏和氏壁生物技術(shù)有限公司，在150 r/min和50℃下酶解60 h，每隔12 h取液樣分析單糖和還原糖質(zhì)量濃度。

1.2.2稻秸臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理批式產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)

為了研究臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對稻秸沼氣發(fā)酵潛力的影響，取20 g稻秸進(jìn)行臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理：研究臭氧用量(0、0.5、1.0、1.5 g/g)影響時(shí)，氨水浸泡時(shí)間設(shè)定為6 h；研究氨水浸泡時(shí)間(0、3、6、9 h)影響時(shí)，臭氧用量設(shè)定為1.0 g/g。沼氣發(fā)酵采用500 mL發(fā)酵瓶，取15 g臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理后的稻秸，加入75 g新鮮接種污泥和230 mL蒸餾水使得總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，啟動期為避免酸化，加入1.5 g NaHCO3提供緩沖，將裝好的發(fā)酵罐置于恒溫水浴鍋中發(fā)酵，發(fā)酵溫度37℃。實(shí)驗(yàn)過程中每隔24 h采用排水法測量日沼氣產(chǎn)量，用1 mL注射器收集沼氣。

1.3 檢測方法

總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用105℃干燥24 h，揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用550℃灰化4 h，差重法測定；木質(zhì)纖維素成分采用ANKOM A2000i型全自動纖維分析儀，根據(jù)范式洗滌法測定；單糖質(zhì)量濃度采用安捷倫1220型液相色譜儀測定，Zorbax型碳水化合物分析柱，示差折光檢測器，柱溫和檢測器溫度為35℃，流動相為75%乙腈，流速為0.8 mL/min；沼氣氣體成分采用GC9790II 型氣相色譜儀測量，檢測器為TCD(熱導(dǎo)檢測器)，分析柱為5A分子篩不銹鋼填充柱和Hayesep Q型填充柱，柱箱溫度50℃，進(jìn)樣口溫度為100℃，檢測器溫度為55℃，載氣為氬氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對稻秸酶解效果的影響

2.1.1失重率

臭氧用量和氨水浸泡時(shí)間對稻秸預(yù)處理失重率的影響如圖1所示。隨著臭氧用量的增加，失重率整體變化較小，變化范圍在29.20%～32.67%之間，略低于采用稀堿預(yù)處理得到的失重率(25%～50%)[17]和微波聯(lián)合稀堿預(yù)處理得到的失重率(41.5%～44.6%)[18]。當(dāng)氨水浸泡時(shí)間由2 h增加到10 h，稻秸失重率也從26.40%升高到40.27%。氨水浸泡10 h的失重率為最高，有利于提高酶解還原糖濃度。但由于失重率過高會導(dǎo)致纖維素?fù)p失較高，使得酶解過程中葡萄糖得率或厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)氣率較低。因此，對于臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理，采用臭氧用量0.75～1.00 g/g和氨水浸泡6 h為宜。

圖1 臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對失重率的影響Fig.1 Effect of combined ozone and soaking aqueous ammonia pretreatment on weight loss rate

2.1.2稻秸酶解糖化效率

通過分析不同條件下預(yù)處理稻秸酶解60 h后葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和還原糖質(zhì)量濃度，探索臭氧和氨水聯(lián)合預(yù)處理過程中臭氧用量和氨水浸泡時(shí)間對稻秸酶解糖化效率的影響。臭氧用量(0～1.25 g/g)對單糖和還原糖質(zhì)量濃度的影響如圖2所示，可以看出，隨著臭氧用量的升高，葡萄糖質(zhì)量濃度先增加后降低，在0.75 g/g臭氧用量時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度最高，為36.92 g/L (60 h)；對于半纖維素的水解，臭氧用量越低，木糖質(zhì)量濃度越低，而阿拉伯糖質(zhì)量濃度越高，這表明當(dāng)臭氧用量高于0.5 g/g時(shí)有利于半纖維素的水解，減少木糖進(jìn)一步分解產(chǎn)生抑制物[19]。從酶解60 h后的還原糖質(zhì)量濃度來看，0.75 g/g的臭氧用量獲得了最高還原糖質(zhì)量濃度，為65.71 g/L，比最低的還原糖質(zhì)量濃度(49.09 g/L)高了33.86%，因此，0.75 g/g的臭氧用量為最佳。

與臭氧用量相比，氨水浸泡時(shí)間對單糖和還原糖質(zhì)量濃度影響較大。氨水預(yù)處理0 h的葡萄糖質(zhì)量濃度明顯低于其他實(shí)驗(yàn)組(圖3，如氨水預(yù)處理2 h的葡萄糖質(zhì)量濃度比未處理組高了50.02%。隨著氨水浸泡時(shí)間從4 h增加到10 h，葡萄糖質(zhì)量濃度無明顯變化。而且木糖質(zhì)量濃度與氨水浸泡時(shí)間也無明顯正相關(guān)的趨勢(圖3b)。葡萄糖和木糖質(zhì)量濃度的變化表明氨水預(yù)處理對纖維素的解聚作用高于降解半纖維素的作用[20]。所有處理組的阿拉伯糖質(zhì)量濃度均低于1.3 g/L，而且阿拉伯糖質(zhì)量濃度與氨水浸泡時(shí)間呈正相關(guān)趨勢(圖3c)，氨水浸泡10 h的阿拉伯糖質(zhì)量濃度明顯高于其他組。氨水浸泡2 h和4 h的還原糖質(zhì)量濃度分別為48.23 g/L和54.89 g/L，與未處理組(30.15 g/L)相比提高了59.97%、82.06%(圖3d)，在酸解60 h時(shí)，氨水浸泡6 h的還原糖質(zhì)量濃度為60.51 g/L，而氨水浸泡6 h和8 h的還原糖質(zhì)量濃度相差不大。氨水預(yù)處理10 h的還原糖質(zhì)量濃度為最高，這是由于氨水預(yù)處理時(shí)間越長，木質(zhì)素降解率越高，從而導(dǎo)致預(yù)處理后稻秸中纖維素含量越高，且稻秸的比表面積越大。綜上，臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理可有效提高稻秸的酶解糖化效率，適宜的臭氧氨水聯(lián)合處理?xiàng)l件為0.75 g/g臭氧用量和6 h氨水浸泡時(shí)間。

圖2 臭氧用量對酶解過程中單糖和還原糖質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Effect of ozone dosage on mono-sugars and reducing sugars concentrations during enzymatic hydrolysis process

圖3 氨水浸泡時(shí)間對酶解過程中單糖和還原糖質(zhì)量濃度的影響Fig.3 Effect of soaking aqueous ammonia time on mono-sugars and reducing sugars concentrations during enzymatic hydrolysis process

2.1.3預(yù)處理和酶解過程中木質(zhì)纖維素組分變化

與原始稻秸相比，預(yù)處理和酶解后的木質(zhì)纖維素組分變化如圖4所示。臭氧用量的增加有利于半纖維素和木質(zhì)素的去除，半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由37.89%降低至31.94%～32.99%，而且隨臭氧用量增加，半纖維素含量無明顯變化，這與失重率和單糖還原糖質(zhì)量濃度結(jié)果相似。也有研究表明臭氧用量超過最優(yōu)值時(shí)不能提高預(yù)處理作用[21]。隨著臭氧用量的增加，預(yù)處理后的纖維素含量也逐漸升高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.39%～63.21%，在酶解過程中降低至54.18%～58.56%，這表明酶解過程中纖維素降解率高于預(yù)處理過程中纖維素降解率，減少了預(yù)處理過程對纖維素的損失。不同臭氧用量預(yù)處理后木質(zhì)素含量沒有明顯的變化，預(yù)處理前木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.36%，0～1.25 g/g的臭氧預(yù)處理后木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.99%～4.89%。盡管臭氧預(yù)處理對木質(zhì)素去除較為有效，但預(yù)處理稻秸中的木質(zhì)素仍較高。然而在酶解過程中，木質(zhì)素含量繼續(xù)升高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.67%～11.58%，這是因?yàn)槔w維素復(fù)合酶僅對纖維素和半纖維素具有降解作用，使得木質(zhì)素含量相對升高。

隨著氨水浸泡時(shí)間的增加，纖維素含量逐漸增加，而半纖維素含量逐漸降低。原始稻秸中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.28%，氨水浸泡2～10 h后纖維素含量分別為58.01%、60.27%、61.64%、61.96%和63.54%。纖維素含量的增加是由預(yù)處理過程中纖維素的降解率比半纖維素和木質(zhì)素低導(dǎo)致的。盡管纖維素在預(yù)處理過程中明顯增加，但是酶解后的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍較高，這是因?yàn)槔w維素復(fù)合酶能夠有效地水解稻秸中的纖維素和半纖維素，從而導(dǎo)致纖維素和半纖維素含量同時(shí)降低，進(jìn)而酶解殘?jiān)欣w維素含量并未降低，這一點(diǎn)從單糖和還原糖質(zhì)量濃度上可以相互印證。氨水具有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素作用[22]，而對半纖維素的降解作用較小，但臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理也可促進(jìn)半纖維素的水解。氨水浸泡2～10 h，半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由41.13%降低至30.34%～33.84%，木質(zhì)素含量也明顯降低，這與LI等[14]的研究結(jié)果相似。由于酶解和厭氧發(fā)酵對木質(zhì)纖維素降解效果不同，因此進(jìn)一步考察臭氧用量和氨水浸泡時(shí)間對稻秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣和纖維降解的影響。

圖4 預(yù)處理和酶解后木質(zhì)纖維素組分的變化Fig.4 Changes of lignocellulose components after pretreatment and enzymatic hydrolysis

2.2 臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對稻秸沼氣發(fā)酵效果的影響

2.2.1預(yù)處理后木質(zhì)纖維素組分

為了研究臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對稻秸降解及沼氣產(chǎn)率增加的機(jī)理，表2給出了預(yù)處理過程中木質(zhì)纖維素組分的變化。在臭氧預(yù)處理過程中，纖維素含量降低，而且臭氧用量越高，纖維素含量越低；半纖維素含量也隨著臭氧用量的增加而減少。對于木質(zhì)素而言，盡管預(yù)處理后稻秸中木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對增加，但臭氧可選擇性地與碳碳雙鍵反應(yīng)，從而破壞和降解木質(zhì)素。木質(zhì)素的溶解主要發(fā)生在氨水預(yù)處理階段，KIM等[23]采用15%的氨水處理玉米芯，在氨處理12 h時(shí)木質(zhì)素去除率達(dá)62%。氨水浸泡時(shí)間越長，半纖維素和木質(zhì)素?fù)p失越高，預(yù)處理秸稈中的纖維素含量越高，這對于后期甲烷轉(zhuǎn)化或乙醇轉(zhuǎn)化是有利的。氨水浸泡0～9 h，纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從36.22%增加到52.13%；半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從23.92%降低至17.54%。與對照組相比，木質(zhì)素含量明顯升高，但從氨水浸泡3～9 h來看，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由8.16%逐漸降低至4.43%，可以體現(xiàn)出木質(zhì)素的降解過程。

2.2.2沼氣產(chǎn)量

從日產(chǎn)氣量(圖5)可以看出，前期酸化產(chǎn)揮發(fā)酸過程產(chǎn)氣量相似，第6天后沼氣產(chǎn)量迅速升高，而且預(yù)處理后的稻秸日產(chǎn)氣量明顯高于無處理組；其中臭氧用量為1.0 g/g實(shí)驗(yàn)組，日產(chǎn)氣量的高峰期

表2 臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理稻秸的木質(zhì)纖維素組分變化Tab.2 Changes of lignocelluloses components of rice straw pretreated by ozone and ammonia

延后，累積沼氣產(chǎn)量與1.5 g/g臭氧用量實(shí)驗(yàn)組相近，分別為4 570 mL和4 605 mL，分別高于0.5 g/g實(shí)驗(yàn)組(4 245 mL)7.66%和8.48%。因此，綜合臭氧成本和沼氣產(chǎn)量考慮，1.0 g/g的臭氧用量在產(chǎn)氣性能上具有一定優(yōu)勢，累積沼氣產(chǎn)量達(dá)4 570 mL，相比未處理組(3 305 mL)提高了38.28%。

圖5 不同臭氧用量和氨水浸泡時(shí)間條件下的沼氣產(chǎn)量Fig.5 Biogas production at different ozone dosages and soaking aqueous ammonia times

不同氨水浸泡時(shí)間對木質(zhì)纖維素的去除和降解作用不同，因而導(dǎo)致產(chǎn)氣潛力不同。從日產(chǎn)氣量可以看出(圖5)，氨水浸泡時(shí)間越短，達(dá)到第2個(gè)產(chǎn)氣高峰的時(shí)間越短，如：氨水浸泡3 h在第11天達(dá)到第2個(gè)產(chǎn)氣高峰，而氨水浸泡9 h則在第13天達(dá)到第2個(gè)產(chǎn)氣高峰；而未處理組的日產(chǎn)氣量明顯低于氨水預(yù)處理組。經(jīng)過氨水處理的實(shí)驗(yàn)組累積沼氣產(chǎn)量明顯提高，為4 570～5 480 mL；與僅進(jìn)行臭氧預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組相比，氨水預(yù)處理3、6、9 h的累積沼氣產(chǎn)量分別提高了148.6%、135.0%和181.7%。這表明氨水聯(lián)合預(yù)處理可以加強(qiáng)木質(zhì)纖維素的降解，提高厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量，從產(chǎn)氣量上看，9 h為最佳氨水浸泡時(shí)間。

2.2.3平均甲烷含量和甲烷產(chǎn)率

針對上述的沼氣產(chǎn)量分析，為了進(jìn)一步對比臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理的效果，表3給出了不同預(yù)處理?xiàng)l件下的沼氣和甲烷產(chǎn)率。根據(jù)15 g稻秸的累積沼氣產(chǎn)量計(jì)算沼氣產(chǎn)率?？梢杂^察到臭氧用量越高，沼氣產(chǎn)率越高，為212.25～230.25 mL/g。而且臭氧預(yù)處理組的平均甲烷含量均高于對照組，從而導(dǎo)致臭氧用量越高，甲烷產(chǎn)率越高，在臭氧用量為1.5 g/g時(shí)，甲烷產(chǎn)率達(dá)154.08 mL/g。對于未經(jīng)過氨水預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組的沼氣產(chǎn)率僅為97.25 mL/g，不同氨水浸泡時(shí)間下的沼氣產(chǎn)率為228.50～274.00 mL/g，提高了1.35～1.82倍，可見氨水預(yù)處理可有效提高稻秸的沼氣產(chǎn)率，這與其他探究結(jié)果相似，LI等[16]采用較優(yōu)的氨預(yù)處理?xiàng)l件為51℃、14.8%氨水和27 h，沼氣產(chǎn)率提高了43.25%。從甲烷含量可以看出，氨水浸泡時(shí)間越長，甲烷含量越低。在臭氧用量1.0 g/g和氨水浸泡9 h的處理?xiàng)l件下所獲得的甲烷產(chǎn)率最高，為165.39 mL/g。

表3 臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對沼氣和甲烷產(chǎn)率的影響Tab.3 Effect of ozone and ammonia pretreatment on biogas and methane yield

2.2.4結(jié)晶度變化

為揭示臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理對稻秸纖維素和半纖維素的降解機(jī)理，全過程的稻秸X射線晶體衍射圖如圖6所示(圖中θ表示衍射角)，包含了相應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度變化和計(jì)算后的結(jié)晶度變化?？梢钥闯觯嫉窘盏慕Y(jié)晶度為31.69%，經(jīng)過臭氧預(yù)處理后結(jié)晶度增加到37.30%，這是因?yàn)槌粞鯇Ψ墙Y(jié)晶區(qū)木質(zhì)素的破壞[9]，從而導(dǎo)致結(jié)晶度升高，而且結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的衍射峰強(qiáng)度均減弱。當(dāng)進(jìn)行氨水預(yù)處理時(shí)，結(jié)晶度繼續(xù)升高，為50.09%，結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的衍射峰強(qiáng)度升高，這是由于在氨水預(yù)處理過程中非結(jié)晶區(qū)半纖維素和木質(zhì)素含量降低，導(dǎo)致了結(jié)晶度大幅升高，可見臭氧預(yù)處理對增強(qiáng)氨水預(yù)處理的顯著作用，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他研究的氨水預(yù)處理增加結(jié)晶度的結(jié)論相一致[24]。在厭氧發(fā)酵后，盡管結(jié)晶度略高，但結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的衍射峰強(qiáng)度降到最低，分別為360 cps和254 cps，充分反映了稻秸在臭氧和氨水聯(lián)合預(yù)處理的充分降解特性。綜上，可見臭氧和氨水聯(lián)合預(yù)處理對稻秸中纖維結(jié)構(gòu)的破壞及降解有著積極的作用，為后期甲烷乙醇聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

圖6 臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理過程中稻秸晶體衍射圖Fig.6 X-ray diffraction image of rice straw during ozone and aqueous ammonia pretreatment

3 結(jié)論

(1)臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理提高稻秸酶解糖化效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著臭氧用量的增加，葡萄糖質(zhì)量濃度先增加后降低，0.75 g/g臭氧用量時(shí)葡萄糖質(zhì)量濃度最高，為36.92 g/L；氨水浸泡時(shí)間越長，還原糖濃度越高，氨水浸泡6 h的還原糖質(zhì)量濃度為60.51 g/L。臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理能明顯改善稻秸酶解糖化效率，適宜的臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理參數(shù)為臭氧用量0.75 g/g和氨水浸泡時(shí)間6 h。

(2)通過臭氧氨水聯(lián)合預(yù)處理提高厭氧發(fā)酵過程中沼氣和甲烷產(chǎn)率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨臭氧用量增加，甲烷產(chǎn)率不斷增加；不同氨水浸泡時(shí)間下的沼氣產(chǎn)率為228.50～274.00 mL/g，而對于未經(jīng)過氨水預(yù)處理實(shí)驗(yàn)組的沼氣產(chǎn)率僅為97.25 mL/g。其中，臭氧用量1.0 g/g和氨水浸泡9 h獲得的甲烷產(chǎn)率最高，為165.39 mL/g。