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郭晶晶1,3，袁興中1,3，李輝2,4，李昌珠4，肖志紅4，肖智華1,3，蔣龍波1,3，曾光明1,3
1、湖南大學環境科學與工程學院，湖南長沙410082
2、中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東廣州510640
3、環境生物與控制教育部重點實驗室(湖南大學)，湖南長沙410082
4、湖南省林業科學院，湖南長沙410004
摘要：為了解決生物質成型產業存在的成型燃料密度低、強度低、抗吸水能力弱、不耐存儲等問題，采用黃孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium BKMF21767對黧蒴栲木屑(Castanopsis fissa Rehd.et Wils)進行固態發酵預處理，固態發酵木屑在含水率15%和最大壓強98MPa的條件下制備成型燃料。以成型能耗(擠壓和推動能耗)、成型燃料密度、Meyer強度和吸水性等表征發酵時間對黧蒴栲木屑成型行為及成型燃料性能的影響。結果表明：與由新鮮黧蒴栲木屑制備的成型燃料相比，經固態發酵的黧蒴栲木屑成型燃料的燃燒熱值幾乎不變，雖然在成型過程中的擠壓能耗最高升高6.98%，但推動能耗最高可降低32.19%。同時，固態發酵預處理能夠提高成型燃料的密度、Meyer強度和抗吸水能力，有利于成型燃料在長時間儲運中保持品質，其中由固態發酵48d左右的木屑制備的成型燃料品質最佳。
生物質成型是利用溫度、壓力和黏結劑等將各類原本松散細碎的生物質廢物壓制成具有規則形狀的棒狀、塊狀或顆粒狀成型燃料的技術[1]。目前，中國南方地區制備生物質成型燃料的主要原料主要是木屑。木屑中的纖維成分是實現成型過程的主要因素。在適宜的壓力和溫度的作用下，木質素發生玻璃態轉化，具有黏性，并易被擠壓進入由纖維素纖絲組成的“框架”中[2]。物料微粒之間產生的氫鍵和“固體搭橋”作用促進了“鋼筋混凝土”結構的構成，使成型燃料具有一定的形態和強度。纏繞的半纖維素也使成型燃料具有一定的韌性。成型燃料的儲運成本是散裝木屑的4−7倍，能夠擴大成型燃料的時空應用范圍[2]。同時，成型燃料具有燃燒性能穩定、燃燒中的黑煙、飛灰、NOx和SOx的排放量低等特點，是目前發展較為迅速的生物質利用方式之一[3-6]。
然而，生物質中的半纖維素富含親水性的羥基，容易吸水而降低成型燃料的熱值，并加速微生物反應。微生物活動會導致降解氣體(CO2、CO和CH4等)的生成和成型燃料的破碎，危害操作工人的身體健康，甚至引發自燃或爆炸事故[7]。同時，產業實踐發現的規律是，采用放置4周以上的木屑原料更容易制備成型燃料。但是，上述規律尚未得到科學的驗證，僅僅是生產中的經驗。在前期的研究中，課題組考察了在無菌環境中，放置時間對新粉碎木屑成型行為和成型燃料品質的影不能明顯改變木屑的成型行為和成型燃料品質。因此，微生物活動有可能是影響木屑成型行為和成型燃料品質的原因。目前，提高成型燃料的強度和抗吸水能力是國內外生物質成型領域的研究熱點之一[8-11]。然而，目前還沒有關于微生物活動與木屑成型行為之間關聯的研究。
固態發酵是指在沒有或幾乎沒有自由水存在的條件下，在一定濕度的固態基質中，用一種或多種微生物進行發酵的生物反應過程，具有工藝成熟、操作簡單、運行安全和成本低廉的優點[12-14]。通過固態發酵處理，微生物優先利用木屑中的半纖維素作為營養源來進行自身的生長和繁殖，主要產物有腐殖質(腐殖酸、富里酸和胡敏酸)、糖類、CO2和其他一些小分子物質等[15-16]。經過固態發酵處理的木屑仍保持木質纖維素的纖維結構，具備加工成型燃料的可行性。同時，固態發酵產物中含有的高分子的腐殖質和其他小分子物質較為松軟，在發酵木屑成型過程中可能較容易被“擠進”木質纖維素結構間的空隙，并通過自身較多的官能團與木屑構成氫鍵和靜電引力，加強固體粒子橋接或架橋和填充或嵌合[17-24]，促進生物質成型。
但目前尚沒有關于固態發酵對生物質成型影響的報道。因此，本研究通過白腐菌的典型菌種黃孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium，BKMF21767對黧蒴栲木屑進行固態發酵預處理，并將發酵木屑制備成型燃料，研究不同成型溫度下發酵時間對黧蒴栲木屑成型行為及成型燃料性能的影響規律，揭示其中的影響機理，以期為固態發酵工藝用于生物質成型產業提供參考。
1材料與方法
1.1材料
白腐菌的典型種黃孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium，于4℃下保藏在湖南大學實驗室。
黧蒴栲：湖南省林業科學院天際嶺實驗林場的7年生黧蒴栲新鮮枝條(直徑小于2cm)，洗凈，40℃烘干48h后粉碎，過40目篩，裝瓶密封，貯于4℃備用。黧蒴栲木屑的性質見表1。
1.2菌種活化和固態發酵方法
菌種活化和固態發酵方法[7]具體如下：
1.2.1菌種活化
將菌種接種在馬鈴薯(PDA)瓊脂培養基上，待培養5−7d長滿孢子后，刮取孢子制成濃度為2.0×106個/mL的孢子懸液。
1.2.2黧蒴栲固態發酵
稱取30g預處理后的黧蒴栲木屑為固體基質，裝于500mL錐形瓶中，分別加入164mL液體基質和0.6g吐溫80配成含水率為85%的固態培養基，滅菌。將濃度為2.0×106個/mL的菌懸液以0.8%的質量比接種入已滅菌的發酵瓶中，于37℃培養。將滿足發酵時間(0、16、32、48、64d)的黧蒴栲在40℃烘干，并測其含水率，當含水率在5%左右時，向其中加入13%的水，裝袋密封，于4℃穩定48h。其中所用液體基質的組成成分為：KH2PO4 2.0g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L，酒石酸銨0.2g/L，微量元素液70mL/L。其中，微量元素液(g/L)：NaCl 1.0，CoCl2·6H2O 0.18，Na2MoO4·2H2O 0.01，ZnSO4·7H2O 0.1，CaCl2 0.1，CuSO4·5H2O 0.01，MnSO4·H2O 0.5，FeSO4·7H2O 0.1，KAl(SO4)2·12H2O 0.01，MgSO4·7H2O 3，H3BO3 0.01，氮三乙酸1.5。
1.3黧蒴栲成型實驗
1.3.1成型設備和過程
單顆粒成型實驗機由WDW-10電子萬能實驗機改裝，裝置包括夾套(D=7mm，L=80mm)、壓桿(D=6.80mm，L=120mm)以及2個不銹鋼墊片(厚2mm和20mm)。成型過程具體如下，打開單顆粒成型實驗機的溫度控制器，使夾套內壁溫度升至設定成型溫度(70−150℃)，保持120min，待內壁溫度穩定后在壓制槽底部放入不銹鋼墊片，稱取1g左右調配好的含水率為15%的樣品放入夾套中。采用程序控制壓桿，設定壓桿下行速度為8mm/min，當壓桿受力達到初級設定值(500MPa)時，下行速度變為4mm/min，當壓桿受力達到98MPa后停留30s，停止壓桿下行程序，取出不銹鋼底板。隨后，系統控制壓桿以2mm/min由0MPa開始下行，將制成的成型燃料推出壓制槽[2]。制成的成型燃料迅速用冷風冷卻至室溫。每次實驗結束后，用丙酮清洗模具并擦拭干凈。實驗至少重復8次。
1.3.2生物質成型燃料能耗計算與特性分析
能耗計算：生物質成型過程中的能耗包括擠壓和推動能耗，擠壓能耗(Compression energy consumption)表示成型燃料成型過程中壓桿所做的功。推動能耗(Extrusion energy consumption)表示成型燃料成型之后，壓桿在對成型燃料施力到開始推動成型燃料的過程中所做的功，單位為kJ/kg，計算公式如下[2]：
1.4黧蒴栲木屑發酵前后的化學成分定量分析
采用范式纖維素測定法測定原料木質纖維素各成分含量；采用0.1mol/L焦磷酸鈉與0.1mol/L氫氧化鈉混合提取劑提取原料中的腐殖質并測定各成分含量；采用元素分析儀(VarioELIII)進行原料元素分析，根據GB/T 28731-2012進行原料工業分析[26]，采用湖南林業科學院熱值測定儀(SUNDY)SDACM5000進行原料熱值測定[16]。
2結果與討論
2.1固態發酵過程對黧蒴栲木屑中木質纖維素和腐殖質含量的影響
通過對不同發酵時間的黧蒴栲木屑中纖維成分(纖維素、半纖維素和木質素)和腐殖質(腐殖酸、富里酸和胡敏酸)含量的測定，并與新鮮黧蒴栲木屑進行對比發現，半纖維素降解率顯著高于纖維素和木質素，如圖1A所示。這主要是由木屑中木質纖維素組成結構的特殊性造成的[16]，木質纖維素由木質素、纖維素和半纖維素組成：通過碳-碳鍵將苯基丙烷結構單元連接而成的具有空間網狀結構的木質素具有完整堅硬的“外殼”，不易被微生物降解，無法形成可發酵性糖類；以聚集態存在的纖維素則是由大量葡萄糖基構成的鏈狀高分子化合物，其晶體結構阻礙纖維素的降解；由較短且高度分枝的雜多糖鏈組成的半纖維素的結構單元主要有木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖和半乳糖等，聚合度較低，比較容易被微生物降解。因此，在固態發酵過程中，P.chrysosporium優先利用黧蒴栲木屑中的半纖維素及其他易利用的營養物質作為營養源來進行自身的繁殖和生長[15-16]，使得黧蒴栲木屑變得“疏松”，空隙增大。木屑中的大粒徑微粒數量減少，且木屑表面由光滑變粗糙，正如掃描電鏡圖2A和圖2B所示。隨著發酵時間的延長，微生物開始分解纖維素和木質素，并生成腐殖質(腐殖酸、富里酸、胡敏酸)、糖類、CO2、水和其他中間小分子產物[16]。圖1B表示隨著發酵時間的延長，木屑中腐殖質主要成分的變化規律。在圖1中，當發酵時間超過48d時，木質纖維素降解率和腐殖質產生率開始降低。這可能是因為在固態發酵后期，微生物死亡率升高，其產酶能力下降，從而抑制了木質纖維素的降解，同時碳源極度缺乏，微生物開始利用腐殖質碳[16]。
2.2不同成型溫度下發酵時間對黧蒴栲木屑成型過程中擠壓和推動能耗的影響
如圖3所示，在同一成型溫度下，經固態發酵的黧蒴栲木屑在成型中的擠壓能耗高于新鮮黧蒴栲木屑。例如，在70℃下成型的新鮮黧蒴栲木屑的擠壓能耗為24.95kJ/kg，而發酵48d的木屑的擠壓能耗為26.29kJ/kg，擠壓能耗升高了5.37%，而推動能耗則呈相反的趨勢。同時，當成型溫度固定時，隨著發酵時間延長，擠壓能耗呈先增加后降低的趨勢。當發酵時間短于16d，擠壓能耗呈升高趨勢，最高可升高7%。
當發酵時間長于16d時，擠壓能耗開始降低，而推動能耗則總體呈現降低的趨勢。這是因為固態發酵過程中，P.chrysosporium優先利用黧蒴栲木屑中的半纖維素，使得半纖維素的降解速率高于纖維素和木質素的降解速率(圖3A)，從而相對降低了半纖維素的含量，提高了纖維素和木質素的含量，并生成腐殖質和其他一些小分子物質。同時，固態發酵過程在一定程度上破壞木質纖維素的天然結構，并使黧蒴栲木屑表面產生一些“分枝”。半纖維素相對含量的降低，導致木屑的韌性降低[3]。木屑微粒表面產生的這些“分枝”在擠壓成型過程中，互相搭接和阻礙，提高了壓桿所受的阻力。這種降低的韌性和提高的阻力導致發酵木屑的擠壓能耗升高。
另外，木質素和腐殖質被普遍認為是生物質天然的黏結劑[8]，富含形成“氫鍵”的官能團，能夠在壓力和溫度的共同作用下被“擠入”木屑纖維“搭接”而成的“網格”中，通過“氫鍵”和“固體搭橋”作用，限制木屑微粒在“網格”中的相對移動。因此，在推動過程中，成型燃料對模具內壁的摩擦力降低，使得推動能耗降低。
成型溫度也是影響木屑成型行為的主要因素之一。由圖3可知，當同一固態發酵時間時，木屑的擠壓和推動能耗均隨著成型溫度的升高而降低。其中，當溫度在70−90℃范圍內，擠壓和推動能耗隨溫度升高明顯降低；當溫度高于130℃時，溫度的進一步升高不能使擠壓和推動能耗發生明顯的變化。這是因為木質素是熱塑性的物質[6]。當發酵時間固定時，隨著溫度的升高，木質素一般在70℃開始軟化，90℃以后發生玻璃化轉化，流動態加強，木屑的粒子二向平均徑變大[18]。當成型溫度超過130℃時，玻璃化轉化完全，進一步地升高成型溫度不能使流動態繼續加強[2]。在壓力的作用下，玻璃化的木質素被擠入木屑纖維構成的框架結構中，木屑微粒開始重新排列位置關系，并發生機械變形和塑性流變[23]，使得粒子更緊密地黏結在一起，減少成型燃料膨脹對壓槽壁面的擠壓作用，降低推動能耗。另外，微粒之間以及微粒與壁面之間的摩擦力也是影響推動能耗的一個主要因素[8]，成型溫度越高，成型燃料表面越光滑，與壁面的摩擦力越小，成型過程中推動能耗越低。
2.3不同成型溫度下發酵時間對成型燃料密度的影響
單個成型燃料的密度與大量成型燃料的堆積密度呈正相關關系，并影響成型燃料的能量密度和儲運成本，是成型燃料的重要參數[8]。如圖4所示，當成型溫度固定時，隨著發酵時間延長，成型燃料密度增加。例如，在成型溫度150℃時，以新鮮黧蒴栲和發酵16、32、48以及64d的黧蒴栲木屑制備的成型燃料的密度分別為1063.90、1078.01、1087.85、1091.11、1091.00kg/m3。這是因為固態發酵處理使黧蒴栲木屑變得疏松，空隙變大，呈纖維束狀。與新鮮木屑緊密的抗壓縮結構相比，這種纖維束狀結構在成型過程中易被壓縮而降低成型燃料體積。同時，如圖2B所示，固態發酵后的木屑表面更加粗糙，木質素和部分固態發酵產物(腐殖質和低分子糖類等)在壓力和溫度的作用下，“填充”木屑粗糙的表面及其孔洞，有利于木屑成型燃料密度的提高。此外，在同一發酵時間條件下，成型燃料的密度隨著成型溫度的升高而提高。當溫度從70℃升高到90℃時，成型燃料密度最大可增加4%，而當溫度升到150℃時密度最大可增加8%。這是因為在較高成型溫度下，木質素軟化程度提高，流動性增強。在受壓條件下，木質素較易流動擴散，使生物質微粒更加緊密膠結，空隙減小，提高成型燃料的密度[23]。
2.4不同成型溫度下發酵時間對成型燃料Meyer強度的影響
如圖5所示，當發酵時間短于16d，溫度和發酵時間對成型燃料Meyer強度的影響均不明顯。這可能是因為發酵前期黧蒴栲木屑成分變化較小，特別是木質纖維素含量幾乎沒有變化(圖1A)，而溫度主要影響木質素的軟化。當發酵時間超過16d，發酵時間和溫度均對成型燃料的強度有明顯的影響。在相同成型溫度條件下，隨著發酵時間的延長，成型燃料Meyer強度呈升高趨勢。這主要是因為發酵16d后木屑木質纖維素結構被部分破壞，部分半纖維素被分解，使得木屑中木質素含量相對升高，而木質素是木屑中天然的黏結劑，在壓縮成型過程中，木質素能夠在溫度與壓力的共同作用下發揮黏結劑功能，粘附和聚合生物質成型燃料，提高了成型物的結合強度和耐久性[24]。然而，當成型溫度低于90℃時，木質素沒有充分軟化，黏結作用不明顯。當發酵時間超過32d時，成型溫度對成型燃料Meyer強度的影響較大。
當溫度從70℃升到90℃時，成型燃料Meyer強度最大可增加12%，90℃升到130℃時成型燃料強度變化不明顯，繼續增加到150℃時成型燃料強度又明顯增大，最大可增加30%。這主要是因為木質素一般在70℃開始軟化，90℃以后木質素發生玻璃化轉化，流動態加強，130℃時轉化完全，其后流動態不會得到加強，而木質素的軟化程度和流動態強度影響成型燃料的Meyer強度。
2.5發酵時間對成型燃料吸水性的影響
以在130℃下成型的成型燃料為例，發酵時間對成型燃料吸水性的影響如表2所示，隨發酵時間延長，成型燃料吸水性降低，48d時基本達到穩定。對吸水實驗前后成型燃料的密度、Meyer強度進行對比可知，固態發酵有利于黧蒴栲木屑成型燃料的儲藏。這是因為通過固態發酵過程可以降解生物質中最具有化學活性的成分——半纖維素，以降低生物質中吸水基團羥基的含量，從而降低生物質成型燃料的吸水性。同時，固態發酵使木屑中木質素的相對含
量升高并生成腐殖質和糖類等物質，能夠在成型過程中，被“擠進”木質纖維素結構間的空隙，并通過自身較多的官能團與木屑構成氫鍵和靜電引力，加強固體粒子橋接或架橋和填充或嵌合，成型燃料微粒之間結合得更加緊密，空隙減小，使得水分難以滲入。
3結論
本文以白腐菌的典型菌P.chrysosporium為例，考察固態發酵過程對木屑成型行為和成型燃料性質的影響。研究表明，固態發酵后，黧蒴栲木屑微粒降低的韌性和呈現的纖維束狀結構提高了成型過程中的擠壓能耗。但是，發酵木屑的纖維束狀結構和發酵產物(腐殖質、低分子糖類和其他小分子物質)的共同作用可以改善推動能耗、成型燃料密度和Meyer強度。同時，發酵木屑中半纖維素的降解和成型燃料更加致密的結構降低了成型燃料的吸水性。因此，通過進一步的研究，固態發酵處理與成型的聯用技術有可能成為解決目前生物質成型產業中成型產品質量不佳問題的有效途徑之一。
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