汽爆預(yù)處理對廢棄烤后煙葉產(chǎn)甲烷潛力的影響

黃弘毅，薛寒光，李超，3*，黎娟，王冠華，邵思

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128；2.湖南碧臣環(huán)境能源有限公司，長沙410100；3.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100084；4.天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457；5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125）

我國是全球最大的煙草生產(chǎn)國和消費國，煙草行業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位，2018 年全國煙葉產(chǎn)量達(dá)2 241萬t，實現(xiàn)工商稅利總額1.15萬億元[1]。在煙草的種植、生產(chǎn)和加工過程中會產(chǎn)生兩大類廢棄物：一是煙田廢棄物，包括底腳葉、煙稈及煙花；二是卷煙原料廢棄物，指未達(dá)到收購標(biāo)準(zhǔn)的烤后煙及廢棄的庫存煙。在煙草工業(yè)生產(chǎn)中，為滿足煙葉氣味需求，在特定的溫濕度條件下對煙葉進(jìn)行烘烤，使其內(nèi)部化學(xué)成分達(dá)到協(xié)調(diào)的工業(yè)用煙為烤后煙。在實際生產(chǎn)中，煙葉的烘烤特性差異大，部分未達(dá)到收購標(biāo)準(zhǔn)的烤煙及烤后碎煙、煙末、廢煙梗等不能再用于卷煙生產(chǎn)，大部分被粉碎毀形處理[2]。然而，這些烤后煙廢棄物尚有開發(fā)利用的價值，若能合理資源化利用，不但可以減少對環(huán)境的污染，還能產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

厭氧生物處理法因其能耗低、環(huán)保性高、處理量大等特點，被認(rèn)為是處理煙葉廢棄物的有效方法之一。近年來，厭氧發(fā)酵技術(shù)處理煙草廢棄物的研究已有諸多報道，楊斌等[3]用廢棄鮮煙葉進(jìn)行了厭氧發(fā)酵，由于其低C/N 和煙堿等因素，煙葉產(chǎn)氣較低且沼氣甲烷含量低，可將其與畜牧糞便等發(fā)酵原料混合來提升煙葉發(fā)酵效果。Liu 等[4]的研究表明，煙草秸稈與麥秸、豬糞共發(fā)酵后具有較好的產(chǎn)甲烷潛力，且通過高溫厭氧發(fā)酵能有效滅活煙草內(nèi)部的病原物，有利于后續(xù)還田?，F(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于涉煙廢棄物厭氧處理的研究主要集中在煙田廢棄物，針對烤后煙廢棄物厭氧處理、資源化利用的研究還很少。已有研究表明，煙葉在烘烤過程中淀粉會大量轉(zhuǎn)化為糖類物質(zhì)，總糖量高達(dá)25%～35%[5-6]，可作為厭氧發(fā)酵的重要原料[7]。

烤后煙葉是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)，在木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中，木質(zhì)素與半纖維素以共價鍵的形式緊密結(jié)合并包裹著纖維素，形成了復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)[8]，這種特殊結(jié)構(gòu)使纖維素酶難以直接作用于纖維素及半纖維素，故這類生物質(zhì)在厭氧發(fā)酵中的可降解性不高。對其進(jìn)行厭氧發(fā)酵前，一般需要通過預(yù)處理打開其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[9-10]；此外，煙草還具有特殊的生物堿煙堿，其對厭氧發(fā)酵有明顯的抑制作用[11]。研究表明煙堿在特定條件下易與水蒸氣共揮發(fā)[12]，作為預(yù)處理手段之一，蒸汽爆破利用高溫高壓水蒸氣處理纖維材料，可能會促進(jìn)煙堿的釋放；且蒸汽爆破對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素間的纏繞結(jié)構(gòu)具有顯著的破壞作用，是一種有效的預(yù)處理方式[13-14]。

物料生化產(chǎn)甲烷潛力（Biochemical methane potential，BMP）是指單位有機物料在厭氧條件下發(fā)酵產(chǎn)生甲烷氣體的數(shù)量[15]。產(chǎn)甲烷潛力分析對于了解有機物料沼氣發(fā)酵的效率和其過程穩(wěn)定性都具有十分重要的意義。本研究通過對廢棄烤后煙進(jìn)行產(chǎn)甲烷潛力測試，研究了不同汽爆條件處理后烤后煙葉產(chǎn)甲烷量和產(chǎn)甲烷速率的變化，以期探索汽爆在烤后煙葉厭氧應(yīng)用中的可行性，為烤后煙葉的厭氧發(fā)酵處理提供理論基礎(chǔ)，并為涉煙有機廢料的資源化處理處置工作提供可行的技術(shù)方案。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

原煙葉取自湖南省郴州市桂陽縣白云村，品種為湘煙5 號。樣品經(jīng)烘烤后，手動裁剪為邊長30 mm 的正方形薄片，并放入4 ℃環(huán)境下冷藏備用。

實驗中使用的接種物為北京市小紅門污水處理廠提供的污水廠原泥。實驗開始前，將接種物在37 ℃恒溫水浴中培養(yǎng)一周以減少內(nèi)源性生物氣產(chǎn)生，接種物的pH 為7.42，總固體含量（Total solid，TS）為8.78%，揮發(fā)性固體含量（Volatile solid，VS）為3.64%。

1.2 實驗裝置

采用蒸汽爆破預(yù)處理系統(tǒng)（QBS-2008，鶴壁正道生物能源有限公司）進(jìn)行汽爆預(yù)處理。系統(tǒng)由反應(yīng)室、接受室和蒸汽發(fā)生器組成，汽爆反應(yīng)室容積為5 L。BMP 實驗采用全自動甲烷潛力測試儀（MultiTalent 203，碧普華瑞環(huán)境技術(shù)（北京）有限公司）進(jìn)行甲烷潛力測試（圖1）。系統(tǒng)由厭氧消化單元、CO2吸收單元和氣體計量單元3 個部分構(gòu)成。厭氧消化單元包括15個配備了全自動內(nèi)置攪拌系統(tǒng)的650 mL血清瓶（有效容積400 mL）和控溫水浴槽；CO2吸收單元包括15 個100 mL 血清瓶，其中裝有80 mL 3 mol·L-1的NaOH 溶液以吸收沼氣中的CO2；氣體計量單元配備了15 個全自動微量氣體流量計及自動采集系統(tǒng)，通過基于實時嵌入式操作系統(tǒng)的上位機及應(yīng)用程序監(jiān)控下位機的實驗數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對下位氣體流量計的數(shù)據(jù)采集及分析存儲。

圖1 MultiTalent甲烷潛力測試系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the biomethane potential test analyzer-MultiTalent

1.3 實驗方法

將裁剪好的約260 g的樣品分批加入蒸汽爆破反應(yīng)器中，設(shè)定3 個壓力值（0.5、0.8、1.2 MPa）和3 個保壓時間（3、5、10 min），排列成不同的5 個組合（表1），未處理煙葉作為對照（L0）。將蒸汽發(fā)生器供應(yīng)的高壓蒸汽分別注入反應(yīng)器內(nèi)，直到達(dá)到壓力設(shè)定值，在達(dá)到設(shè)定保壓時間后，通過打開球閥使樣品突然爆破進(jìn)入接受室。預(yù)處理后，樣品水分含量顯著增加，所有預(yù)處理后樣品在55 ℃下干燥過夜以便進(jìn)一步使用。

表1 蒸汽爆破實驗設(shè)置表Table 1 Steam-explosion pretreatment experimental design

汽爆后樣品干燥過夜后，用高速多功能粉碎機磨碎過60目篩，放置在4 ℃下低溫保存用于相關(guān)化學(xué)指標(biāo)、紅外光譜（FTIR）及產(chǎn)甲烷潛力測定。

BMP 實驗的發(fā)酵單元水浴槽溫度控制在37±1 ℃。實驗設(shè)置空白組（純污泥）、對照組（纖維素）及各個處理組（L0～L5），每組實驗均設(shè)置3 個平行。實驗中，接種物VS∶物料VS（Inoculum substrate ratio，ISR）為2∶1，設(shè)計500 mL 發(fā)酵瓶總進(jìn)料400 g，物料按比例裝進(jìn)發(fā)酵瓶后手動混勻，裝上橡膠塞及電機密封后按順序放入37 ℃恒溫水槽內(nèi)并連接電機電纜，各單元之間用聚乙烯軟管進(jìn)行連接，設(shè)置攪拌周期為開啟300 s，停止1500 s，攪拌速率為50 r·min-1。實驗以厭氧消化反應(yīng)瓶的當(dāng)日產(chǎn)甲烷量小于之前累計產(chǎn)甲烷量的1%為終點。

1.4 分析方法

煙葉TS 和VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用質(zhì)量法進(jìn)行測定[16]。纖維三組分及糠醛采用高效液相色譜[17]（HPLC）對濾液進(jìn)行測定。色譜條件：Aminex Hpx-87H 離子交換色譜柱（美國伯樂公司），柱溫65 ℃，流動相5 mmol·L-1H2SO4，流速0.6 mL·min-1；葡萄糖、木糖和阿拉伯糖采用示差折光檢測器，糠醛采用紫外檢測器（波長280 nm），煙堿采用紫外分光光度法進(jìn)行測定[18]，傅里葉紅外光譜（FTIR）分析采用固體溴化鉀壓片法[19]，總糖及還原糖含量采用流動分析法進(jìn)行測定[20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同汽爆條件下煙葉纖維組分含量

烤后煙葉在5 種汽爆條件處理后的化學(xué)成分含量如表2 所示。汽爆后煙葉各化學(xué)成分有顯著差異。在蒸汽爆破過程中，物理和化學(xué)作用使半纖維素水解成單糖和低聚糖，打開了由纖維素、半纖維素及木質(zhì)素組成的復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)，提高了酶對纖維素的可及性[21]。經(jīng)檢測，L2～L5 的纖維素含量低于L0，在相同保壓時間內(nèi)汽爆壓力越高纖維素含量越低，可能是爆破過程中纖維素在高溫高壓情況下受到了一定程度的降解，導(dǎo)致其絕對含量降低。與纖維素相比，半纖維素作為非晶體組分在高溫高壓下更易轉(zhuǎn)化為糖類，與L0 相比，汽爆顯著降低了L1～L5 中半纖維素的含量，在1.2 MPa 下，隨著保壓時間的增加，半纖維素含量明顯呈下降趨勢，L3～L5 分別下降了5.4%、12.2%、24.4%，這表明汽爆預(yù)處理能打開煙葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效降解半纖維素。汽爆后煙葉中木質(zhì)素的相對含量有明顯的上升，L5處理中木質(zhì)素含量最高，相比L0提升了62.9%，可能是汽爆過程中其他成分析出而木質(zhì)素未發(fā)生較大變化，導(dǎo)致含量相對升高[22]；另有研究指出，蒸汽爆破可以裂解半纖維素和木質(zhì)素之間的結(jié)合，導(dǎo)致類木質(zhì)素物質(zhì)“假木質(zhì)素”的增加[23]。

表2 烤后煙葉汽爆前后化學(xué)成分含量Table 2 Chemical composition of cured tobacco leaves

隨著汽爆強度增加，物料顏色逐漸加深，可能是降解的糖在汽爆過程中又進(jìn)一步降解為糠醛等抑制類物質(zhì)[24]。據(jù)文獻(xiàn)報道，糠醛來自戊糖的脫水反應(yīng)，這個過程在壓力和溫度升高后更容易進(jìn)行[25]。由表2可知，相比L0～L4 處理，L5 高溫高壓處理下煙葉內(nèi)糠醛含量明顯增加。與L0 相比，L1～L5 煙堿含量都有所升高?？赡苁瞧谄茐募?xì)胞壁的過程中煙堿并未隨蒸汽釋放，導(dǎo)致汽爆后煙葉煙堿相對含量增加，煙堿含量的增加在一定程度上會抑制煙葉產(chǎn)氣。整體來看，L5的抑制程度高于其他處理。

2.2 不同汽爆條件下煙葉的傅里葉紅外光譜

蒸汽爆破過程中，烤后煙葉內(nèi)部發(fā)生了相應(yīng)的化學(xué)變化，通過分析傅里葉變換紅外光譜中各個官能團吸收強度的變化，可以進(jìn)一步判斷汽爆對煙葉結(jié)構(gòu)的影響。據(jù)文獻(xiàn)報道[26]，纖維類原料的紅外光譜圖中，纖維素吸收峰為2 920、1 425、1 374、897 cm-1；1 730 cm-1附近的C=O 伸縮振動為半纖維素吸收峰；1 515 cm-1和1 650 cm-1為木質(zhì)素特征吸收峰。

圖2為各處理的紅外光譜圖。L0在1 730 cm-1處有明顯的吸收峰，汽爆后煙葉在該處的吸收峰減弱近乎消失，這表明高溫高壓下半纖維素發(fā)生了脫乙?；到?，使其含量顯著降低。汽爆后樣品在2 920 cm-1和897 cm-1附近的特征峰吸收強度變化不大，在1 425 cm-1和1 374 cm-1附近的吸收峰減弱，這意味著纖維素含量略有降低。在1 515 cm-1和1 650 cm-1附近，相比L0，L1～L5 的特征吸收峰有所加強，表明木質(zhì)素相對含量增加，這與表2的結(jié)果相一致。

圖2 烤后煙葉預(yù)處理傅里葉紅外光譜圖Figure 2 FTIR spectra of raw and steam explosion pretreated cured tobacco leaves

2.3 煙葉糖含量測定

隨汽爆強度上升，處理后煙葉趨于漿狀，析出更多液體成分。在汽爆過程中，由于水蒸氣和熱的聯(lián)合作用導(dǎo)致了纖維素原料的類酸性降解及熱降解，半纖維素發(fā)生部分自水解轉(zhuǎn)化成單糖和低聚物，部分木質(zhì)素降解成小分子低聚物隨水溶出[27]。同時，纖維素聚合度下降。高溫高壓條件下，半纖維素鏈上水解產(chǎn)生的乙?；梢宜嵊旨觿×税肜w維素的糖苷鍵和木質(zhì)素上β-O-4芳基醚鍵的水解[28]。故處理強度越大，水溶性物質(zhì)溶出越多，這與實驗結(jié)果一致。汽爆處理后，固液組分分離程度高，回收液體時會造成一定程度的損失。有研究表明，物料汽爆過程析出的液體中糖含量高，這是發(fā)酵產(chǎn)氣的重要組成部分。Thungkin等[29]發(fā)現(xiàn)，在4 種不同的汽爆條件下，汽爆析出液中的總糖含量高達(dá)19.72～36.35 g·L-1；Capecchi 等[30]的研究表明，不同汽爆處理后析出的液體所產(chǎn)甲烷量可達(dá)137.5～300.5 mL·g-1VS。

為進(jìn)一步確定析出液體組分對后續(xù)產(chǎn)氣的影響，用流動分析儀對所有煙葉進(jìn)行了糖含量測定，煙葉糖含量如圖3 所示。由圖可知，汽爆后煙葉的糖含量均有下降，相比L0，低汽爆處理L1的還原性糖和非還原性糖下降了23.1%和22.4%，而高汽爆處理L2～L5 糖含量顯著下降，還原性糖和非還原性糖分別下降了61.3%～66.6%和60.4%～66.0%。研究表明煙葉在烘烤過程中組織結(jié)構(gòu)變疏松[31]，且淀粉大量轉(zhuǎn)化為糖類物質(zhì)，顯著提升了煙葉可溶性糖含量。相比其他木質(zhì)纖維素類物料，這可能使烤后煙葉在汽爆過程中更易發(fā)生物理化學(xué)變化，導(dǎo)致大量糖分溶入液體組分中并隨之析出，使汽爆后煙葉的產(chǎn)氣受到影響。

圖3 烤后煙葉糖含量Figure 3 Sugar content of cured tobacco leaves

2.4 甲烷潛力測試分析結(jié)果

基于汽爆預(yù)處理能夠打開木質(zhì)纖維素生物質(zhì)內(nèi)部的復(fù)合結(jié)構(gòu)且有利于酶解，實驗進(jìn)一步考察了汽爆預(yù)處理對烤后煙葉產(chǎn)甲烷潛力的影響?？竞鬅熑~的單位產(chǎn)甲烷量及日產(chǎn)甲烷量見圖4和圖5。由圖可知，整個發(fā)酵過程歷經(jīng)了3 個峰值，汽爆后煙葉L1～L5 的BMP 均低于未汽爆煙葉L0，這與其他研究形成了對比[32-33]。相比L0，L1～L5的BMP下降了11.6%～26.3%；其中低強度汽爆處理L1 的產(chǎn)甲烷潛力下降率為11.6%，L2～L5高強度汽爆處理下降率在22.4%～26.3%范圍間，顯著高于L1。根據(jù)實驗結(jié)果可知，無論是低強度或高強度汽爆，預(yù)處理均沒有提高烤后煙葉的產(chǎn)甲烷潛力，這表明汽爆預(yù)處理并不能提高烤后煙葉的產(chǎn)甲烷潛力，反而會起到負(fù)面作用，且汽爆強度越高，對應(yīng)處理后的煙葉產(chǎn)甲烷潛力下降越快。

圖4 烤后煙葉的產(chǎn)甲烷過程Figure 4 Accumulated methane production of cured tobacco leaves

圖5 烤后煙葉日產(chǎn)甲烷量Figure 5 Daily methane production of cured tobacco leaves

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，煙葉BMP 值與糖含量變化趨勢一致，可以推斷，汽爆后煙葉糖含量的流失是產(chǎn)氣下降的主要原因。由于烤后煙葉結(jié)構(gòu)疏松及含糖量高等特性，使得烤后煙葉在汽爆過程中極易發(fā)生物理化學(xué)變化，大量糖分溶入液體組分中并隨之析出，降低了汽爆后樣品中的糖含量，進(jìn)而降低了產(chǎn)氣量。但從另外的角度看，通過改進(jìn)汽爆工藝來解決組分回收率低的問題可能會使蒸汽爆破成為烤后煙葉厭氧資源化的一種新途徑。有研究表明，木質(zhì)素相對含量的增加會阻礙微生物與物料接觸，降低發(fā)酵產(chǎn)氣量[23]。本研究中，汽爆后煙葉木質(zhì)素相對含量均明顯上升，故木質(zhì)素相對含量的增加也是導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降的原因之一。所有處理中L5 產(chǎn)氣最低，可能也與該處理中高糠醛和高煙堿的抑制有關(guān)。

值得一提的是，未處理煙葉L0 每克揮發(fā)性固體產(chǎn)甲烷量為252.7 mL，這表明烤后煙葉不僅能夠順利發(fā)酵，且BMP 值高于大多數(shù)木質(zhì)纖維素類廢棄物，甚至高于一些物料預(yù)處理后的產(chǎn)甲烷潛力值，如：Li等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)預(yù)處理的湘南荻芒屬能源作物的產(chǎn)甲烷潛力值為181.7 mL·g-1VS；李雪等[35]對不同的農(nóng)作物秸稈進(jìn)行了厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)其中青貯玉米秸稈產(chǎn)沼氣潛力最高，為140.08 mL·g-1VS；張含[36]用不同濃度的堿溶液對棉花秸稈進(jìn)行預(yù)處理時發(fā)現(xiàn)，在濃度為1.5%的NaOH 溶液作用下秸稈產(chǎn)氣最高，單位揮發(fā)性固體產(chǎn)氣為178.6 mL·g-1VS。

T90是厭氧工藝中一個非常重要的參數(shù)，指發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量90%所用的時間。本研究中，L0～L5 的T90均在13 d 左右，遠(yuǎn)小于一般農(nóng)業(yè)廢棄物的T90。Nges 等[37]的研究發(fā)現(xiàn)芒草在不同預(yù)處理條件下的T90在17～42 d 之間；王星[38]對水稻秸稈進(jìn)行了不同的預(yù)處理，其發(fā)酵周期在73 d 左右，T90在55 d左右?？梢?，烤后煙葉不僅單位產(chǎn)甲烷量高，且發(fā)酵周期較短，是優(yōu)良的厭氧發(fā)酵原料。相比汽爆預(yù)處理后的烤后煙葉，未處理烤后煙葉沒有糖分損失，其產(chǎn)氣更高且能耗低，在實際應(yīng)用中，直接利用烤后煙葉進(jìn)行厭氧發(fā)酵是更好的選擇。

3 結(jié)論

（1）未汽爆烤后煙葉L0 每克揮發(fā)性固體產(chǎn)甲烷量為252.7 mL，高于大多數(shù)木質(zhì)纖維素類廢棄物，甚至高于一些預(yù)處理后物料的產(chǎn)甲烷潛力值；且本研究中烤后煙葉的產(chǎn)氣周期短，是優(yōu)良的厭氧發(fā)酵原料。

（2）汽爆預(yù)處理能夠有效打開烤后煙葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有利于酶解，但汽爆后煙葉的產(chǎn)甲烷潛力并沒有提高，糖分極易溶于液體組分中并隨之析出進(jìn)而降低了產(chǎn)氣量；此外，本研究中預(yù)處理沒有促進(jìn)煙堿分離，煙堿并未隨蒸汽釋放出來，導(dǎo)致汽爆后物料中煙堿相對含量增加，在一定程度上抑制了發(fā)酵產(chǎn)氣。未汽爆預(yù)處理的煙葉沒有損失糖分產(chǎn)氣更高。因此，實際應(yīng)用中，直接利用烤后煙葉進(jìn)行厭氧發(fā)酵會更好。后續(xù)，針對煙葉廢棄物的汽爆預(yù)處理技術(shù)，可深入研究如何提高組分回收率及增強煙堿脫除效果，進(jìn)一步優(yōu)化汽爆預(yù)處理工藝。

（3）現(xiàn)有研究證明，煙草有機廢棄物可通過厭氧發(fā)酵工藝實現(xiàn)資源化利用，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣沼液亦可作為生物有機肥直接利用。因此，厭氧技術(shù)可作為減少煙草工業(yè)廢棄物污染的有效出路?；谖覈鵁煵菪袠I(yè)的生產(chǎn)流程與規(guī)模，可進(jìn)一步開發(fā)小型煙草廢棄物厭氧處理一體化設(shè)備，向煙農(nóng)和涉煙企業(yè)推廣并應(yīng)用，在實現(xiàn)煙草廢棄物資源化利用的同時，還可提高煙農(nóng)經(jīng)濟收入，從而促進(jìn)煙草種植業(yè)和煙草工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。