木聚糖酶对牛粪厌氧干发酵产沼气的影响

张陈 CAMARA ZOUMANA 苏有勇

摘要 为了提升牛粪产沼气性能，通过批式厌氧干发酵的方式考察木聚糖酶对牛粪产沼气的影响。在发酵温度55 ℃，总固体物（TS）浓度为40%，接种物含量30%，添加原料质量1%的木聚糖酶来进行牛粪厌氧干发酵。结果表明，木聚糖酶的添加不能缩短产沼气周期，但能提升沼气产量。试验组累计产气量为9.9 L，比对照组提升了22%，原料产气率为0.25 L/g，池容产气率为0.73 m3/（m3·d）。产气过程与一般原料产气过程类似，但发酵周期较长。该试验结果为牛粪的高效利用提供了一个有效途径。

关键词 牛粪;木聚糖酶;干发酵;产气率

中图分类号 S 216.4  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）20-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.058

开放科学（资源服务）标识码（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 国家自然科学基金项目（51466004）。

作者简介 张陈（1995—），男，安徽马鞍山人，硕士研究生，研究方向：生物质能和分子生物学。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事生物质能源研究。

收稿日期 2021-02-03

近年来，随着国民生活水平的提高，畜牧业得到前所未有的发展。2015年我国奶牛存栏量约1 200万头，在2020年养殖业带来的畜禽粪便将超过40亿t，每年产生大量的牛粪，但利用率低[1-3]。牛粪中含有很多未被利用的氮磷钾和转化积累的硫化物等有害物质，对周围水体、土地和空气造成严重的污染[4-5]。但是，牛粪富含粗纤维和有机质，碳氮比接近20∶1～30∶ 是厌氧发酵的优质原料来源[6-8]。牛粪中的纤维素含量限制着牛粪厌氧发酵的产气性能。纤维素是一种由β-D吡喃葡糖糖通过1-4糖苷键组成的无支链结构[9]，一般被半纤维素和木质素包裹[10-11]。国内外学者大多通过破坏木质纤维素之间的交联结构来增加发酵微生物与原料之间的可及性，主要是通过物理、化学或生物3种方式。Sapci[12]通过微波预处理农作物秸秆，对产沼气性能没有明显的提升。He等[13]通过添加6%的NaOH预处理水稻秸秆，使产气率提

升了27.3%～64.5%，并从原料结构方面详细阐述了NaOH预处理对原料的影响。Wang等[14]利用黑

曲霉产生的纤维素酶预处理玉米秸秆，使沼气产率提升

36.9%。这些方式

都有各自的优缺点，物理法和化学法对环境或设备都有一定的破坏作用，生物法有作用缓慢、成本高等特点，从而使纤维素类原料在用作产沼气时还有很大的提升空

间。该试验所用的木聚糖酶能降解大部分植物组织中的木聚糖，而木聚糖是半纤维素的主要成分，木聚糖被认为维持植物纤维内聚结构完整性的重要成分。Collins等[15]和邢玲等[16]通过添加木聚糖酶水解玉米芯提高了单糖的得率，这也说明在牛粪处理中添加木聚糖酶的可行性。笔者通过发酵过程中添加木聚糖酶来考察对产沼气性能的影响，以期通过添加木聚糖酶促进产沼气性能，并通过干发酵的方式节减少废水处理，解决当前环境污染的现状并且缓解当前能源危机。

1 材料与方法

1.1 材料

牛粪：收集云南省昆明市附近养殖场新鲜牛粪，用保鲜袋封口，备用。接种物：取自昆明理工大学农业与食品学院农业环境与能源工程研究室猪粪发酵结束后的活性污泥。原料基本特性见表1。

1.2 试验装置

批量发酵试验装置为实验室自制沼气发酵装置，具体装置如图1所示，主要由恒温水槽、发酵瓶和集气装置组成。恒温水槽用温控仪连接着加热棒和温度传感器构成，水槽底部的循环水泵用于保持整个水槽水温一致。用1 L容积的玻璃瓶作为发酵瓶，瓶盖上有放气阀和软管作导气管连接到集气装置，集气装置外侧粘有经过标定的刻度线，用于读取产气量。

1.3 试验方案 试验总发酵体系为400 g，TS含量为40%，接种物含量为30%，用沼液补足质量。水解酶添加量为原料的1%，即添加2.56 g。该试验设置1个空白对照组和2个平行试验组，具体物料添加见表2。发酵温度在沼气发酵能正常产气的前提下，接近水解酶的最适温度，由于该试验添加的水解酶是木聚糖酶，为了达到最佳酶活效果，故发酵温度设置为（55±1）℃。发酵启动前和发酵结束测定发酵体系的TS、挥发性固体物（VS）和pH，发酵过程中测定每日沼气产量，由于发酵总固体物含量较高，每天2次摇匀发酵瓶。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 物料TS和VS含量的测定。参考文献[17]的方法测定物料TS和VS含量。

1.4.2 pH的测定。使用pHS-3C酸度计测定pH。

1.4.3 产气量。根据储气罐上的刻度确定产气量。

2 结果与分析

2.1 木聚糖酶的添加对产气量的影响

此次发酵共38 d，每天测得的产沼气量取平均值，绘制折线图，如图2所示。从图2可以看出，试验组和对照组均出现2个产气高峰，此后日产气量逐渐降低，这与大多数原料的产气规律类似。在第1天出现一个产气高峰，此后日产气量减少，试验组和对照组分别在第5天和第6天出现第2次产气高峰，且均高于第1次产气高峰，这与一般原料的产气规律不同，在易降解原料中第1次产气高峰明显高于第2次产气高峰。刘荣厚等[18]利用蔬菜废弃物厌氧发酵产沼气第1次产气高峰约为第2次产气高峰的5倍。该试验所用的原料木质纤维素类原料占27.88%，发酵前期水解产酸阶段水解产酸类菌株增殖较慢，挥发性脂肪酸产量少，导致產气类菌株原料利用不足，产气量较少。此次发酵后期较长，试验组从第2次产气高峰到发酵结束产气量占总产气量的89.0%，对照组也达到80.6%，这也与牛粪中木质纤维素类含量较多有关。

从整个发酵周期来看，木聚糖酶的添加没有明显加速厌氧干发酵，但添加木聚糖酶的试验组日产气量普遍高于对照组，尤其是第1个产气高峰，可见木聚糖酶能促进日产气量的提升。

试验期间累计产气量的变化见图3。从图3可以看出，试验组和对照组在发酵周期前4 d差别不大，从第5天开始试验组累计产气量大于对照组。试验组和对照组均缓慢增加至发酵结束，试验组累计产气量为9.9 L，而对照组约8.1 L，说明木聚糖酶的添加有利于沼气产量。发酵初期可能是由于发酵体系不稳定，pH、温度等因素降低酶的活性，导致二者累计产气量差别不大。

2.2 木聚糖酶的添加对产气率的影响

从图4可以看出，TS产气率、池容产气率与累计产气量均成正比，符合一般产沼气规律。试验组TS产气率、池容产气率和累计产气量均大于对照组，说明木聚糖酶的添加能增加产沼气性能。原料产气率能反映出原料转化成沼气的效率，试验组产气率为0.25 L/g，略高于对照组，但比其他原料偏低，说明通过添加水解酶来促进牛粪干发酵产沼气性能还有很大的空间。池容产气率一般反映利用单位发酵体积单位时间所产沼气的性能，更能直观反映发酵空间利用率和时间利用率。由于此次发酵为干发酵，所以比一般湿发酵的空间利用率高。该研究中试验组的池容产气率为0.73 m3/（m3·d），高于一般文献所报道的池容产气率[19-20]。

3 结论

该试验主要考察木聚糖酶的添加对牛粪厌氧干发酵的影响，得到以下结论：

（1）是否添加木聚糖酶没有明显加速牛粪厌氧干发酵的周期，且与其他原料相比产沼气周期较长。

（2）试验组和对照组均符合一般原料的产沼气规律。从累计产气量、原料产气率和池容产气率来看，木聚糖酶的添加能提升产沼气性能。

该试验结果表明，提升牛粪厌氧干发酵产沼气性能还有较大的提升空间，至少在缩短产沼气周期上还有一些工作可以进行。面对越来越多的原料冗余，对环境的压力也不容小觑，通过厌氧干发酵产沼气能缓解一部分环境污染和能源短缺的问题。

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