利用微生物单培养与共培养技术，通过微波辅助水热预处理槟榔壳并结合厌氧废介质来生产生物氢气

《Renewable Energy》：Microwave assisted hydrothermal pretreatment of arecanut husk with anaerobic spent media for biohydrogen production using mono and coculture of microorganisms

　　

Satya Ranjan Das|G. Pugazhenthi|Kannan Pakshirajan

印度阿萨姆邦古瓦哈提市古瓦哈提印度理工学院生物科学与生物工程系，邮编781039

摘要

槟榔壳是一种大量存在且价格低廉的木质纤维素废弃物，可作为生产生物氢（H₂）的原料，既有利于能源生产，也有助于农业废弃物的再利用。因此，本研究旨在评估并优化利用槟榔壳生产H₂的预处理参数及微生物菌种。研究采用微波处理后再进行低pH值下的水热处理，同时使用黑暗发酵后的废弃培养基来释放可溶性糖分。通过田口方法优化预处理参数，最终在槟榔壳浓度为1.5%、微波功率为80%、微波处理时间为1分钟、高压灭菌时间为30分钟时，可溶性糖浓度达到最高值0.653克/升。随后，研究测试了不同微生物菌种单独或共培养时从预处理过的槟榔壳中生产H₂的效果。在搅拌罐生物反应器中，C. acetobutylicum产生的H₂量最多，为20.3毫升/克；其次是厌氧污泥生物量、C. ljungdahlii、大象粪便和牛粪。生物反应器中的H₂产量比血清瓶实验高出6.2%。此外，污泥单独使用或与C. acetobutylicum以1:1比例共培养时，分别能产生9.7毫升/克和11.2毫升/克的H₂。在发酵过程中，醋酸、丙酸和丁酸作为中间产物生成。

引言

由于交通运输、工业运营及其他活动的需求，全球能源消耗不断增加。过去十年间，人均能源消耗增长了24%，预计到2045年还将从2019年的572 QBtu上升至709 QBtu [1]。目前，全球90%以上的能源需求依赖化石燃料，而这些燃料会产生温室气体（CO₂、CH₄），是导致全球变暖的主要因素[2]。此外，对化石燃料的过度依赖可能导致其在不久的将来耗尽[3]。在这种背景下，氢气（H₂）作为一种更清洁且能量密度更高的燃料（122千焦/克）而备受关注[4]。

H₂可以通过热化学、电化学和生物过程来生产[5]。在这些方法中，生物黑暗发酵因其能耗低、可在常压下运行，以及能够利用含有简单或复杂糖分的多种有机底物高效生产H₂而更具优势。用于黑暗发酵生产H₂的最常用菌种为纯培养的Clostridium、Enterobacter、Citrobacter、Bacillus、Escherichia coli，或是包含厌氧污泥和家畜粪便的混合菌种[6]。在黑暗发酵过程中，除了H₂，还会产生CO₂、挥发性脂肪酸（VFAs）以及丁醇和乙醇等溶剂。

将有机废弃物作为黑暗发酵的基质，不仅可以降低H₂的生产成本，还能解决废弃物的处理问题。在各种有机残留物中，来自农业和林业的木质纤维素废弃物数量最多且可再生性高，因此很适合作为“废物转能源”计划中的基质。在这方面，槟榔壳（Areca catechu L.）是槟榔不可食用的外层纤维部分，约占其体积的60–80%，干重的15–30%[7]。印度是全球槟榔产量最高的地区，占比达57%，但同时也产生了大量的槟榔壳废弃物，尤其是在印度南部和东北部。槟榔壳是一种木质纤维素废弃物，主要由纤维素和半纤维素（占比35–64.8%）构成，这些成分又被木质素（占比13–26%）包裹；其纤维成分则由果胶和原果胶组成[8]、[9]。木质素通过醚键或酯键与纤维素和半纤维素结合，形成复杂的木质纤维素结构[10]。由于槟榔壳的顽固性较强，细菌难以接触到其中的糖分，而且其中存在的复杂糖分分子量较高，细菌也难以将其利用。因此，通过预处理去除木质素就显得十分必要，这样才能让复杂糖分暴露出来，进一步水解为单糖，包括戊糖和己糖[11]。在对这类木质纤维素废弃物进行预处理时，应注重最大限度地提高糖分产量，减少糖分损失，并抑制抑制性物质的生成。此外，预处理步骤还应具有经济性、高效性，且能适用于多种木质纤维素材料，便于实际应用[12]。

为了降低预处理成本并减少相关环境问题，基于高能辐射的方法，如伽马射线和电子束处理、微波处理以及超声辅助预处理技术，正逐渐成为有前景的替代方案[13]。在这些技术中，微波预处理更具优势，因为它具有较高的热传递效率，所需能量较低，加热时间比传统加热方法更短，无需使用溶剂，也不会产生抑制性物质[14]。与传统加热方式通过传导和对流使热量从材料外部向内部传递不同，微波能在材料内部产生热量，从而实现从材料内部向外部的热传递，热量损失极小，这使得微波成为处理木质纤维素废弃物的有效方法[15]。Zhu等人[16]指出，与传统的甘蔗渣加热处理相比，微波辅助的碱液和无机酸处理在预处理过程中可节省5.7倍的时间，且可溶性糖的释放量高出四倍。然而，目前尚无关于优化槟榔壳或其预处理方法以用于生产生物氢（H₂）的研究报道。

因此，本研究旨在通过微波和水热处理在酸性条件下对槟榔壳进行预处理，进而生产H₂。首先，研究采用了田口正交实验设计，优化了不同的预处理参数，即槟榔壳浓度（克/升）、微波功率（%）和时长（分钟）、高压灭菌时间（分钟）。随后，在批次血清瓶和搅拌罐生物反应器中，研究了不同微生物菌种及其共培养物通过黑暗发酵生产H₂的效果。

章节节选

槟榔壳的采集与特性分析

槟榔壳是从印度阿萨姆邦古瓦哈提北部的当地商店采集的。采集当天，先用自来水清洗，然后在阳光下晾干8小时。之后将其放入设定在120℃的烤箱中继续干燥，直至重量不再变化。干燥后的槟榔壳在混合研磨机中粉碎，再通过100目筛子过滤，得到细粉。这些槟榔壳粉末被储存在密封容器中，以便按照美国国家可再生能源实验室的要求进行进一步的分析和特性测定。

槟榔壳的物理化学特性

研究表明，与锯末和稻草相比，槟榔壳含有更多的纤维和木质素[24]、[25]。在本研究中，通过干热法检测，槟榔壳的含水量为54%。CHNS分析结果显示，槟榔壳由41.5%的碳、4.54%的氢、1.36%的氮和0.18%的硫组成，对应的C/N比为30.5，C/H比为9.14。通过蒽酮法测定，槟榔壳中的总糖含量为58.67%。其物理化学特性

结论与未来展望

本研究探讨了利用不同单一微生物及共培养微生物群落对预处理过的槟榔壳进行生物氢生产的可行性。对于这种木质纤维素生物质的预处理，微波处理后再配合pH值为4.5的酸性条件下的水热处理，以及使用厌氧废弃培养基，被证明是有效的处理方法。在各项参数中，槟榔壳浓度（克/升）的影响最为显著，其次是微波处理时间（分钟）、高压灭菌时间（分钟）以及微波功率（%）。

数据获取方式

数据可应要求提供。

作者贡献说明

Kannan Pakshirajan：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源协调、方法设计、概念构思。G. Pugazhenthi：撰写——审阅与编辑、资源协调。Satya Ranjan Das：撰写——初稿撰写、可视化、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思

未引用参考文献

[41]。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

SRD感谢古瓦哈提印度理工学院提供的博士后奖学金支持。作者们还感谢古瓦哈提印度理工学院的中心仪器设施中心（CIF）为槟榔壳的特性分析提供了先进的设备。