【木屑烘干機(jī)】能源展望|<能源草發(fā)酵產(chǎn)沼氣最新研究進(jìn)展>

隨著常規(guī)能源的日益枯竭，開發(fā)利用新能源無疑是必經(jīng)出路。能源植物是一種可再生的生物質(zhì)資源，其中，能源草生物量大并且含有豐富的木質(zhì)纖維素，通過厭氧發(fā)酵將木質(zhì)纖維素材料轉(zhuǎn)化為熱值高的沼氣是當(dāng)前開發(fā)生物能源最有前景的方法之一。

01 能源草的資源收集及培育

尋找一種適合厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的草本能源植物，需要做大量的收集研究工作，還需利用育種和生物技術(shù)對目標(biāo)植物進(jìn)行改良，以提高生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化率和改善轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的質(zhì)量。

20世紀(jì)80年代，美國和歐洲就已經(jīng)將多年生草本植物作為能源植物進(jìn)行系統(tǒng)篩選與研究，培育出了專用型能源草品種，實現(xiàn)了規(guī)模化種植和開發(fā)利用。1984年，美國啟動“能源草研究計劃”，集中對35種草本植物進(jìn)行篩選，獲得了18種具有開發(fā)利用潛力的能源草。歐洲對大約20種多年生草本植物進(jìn)行研究，最終選擇了芒草（Miscanthus sinensis）、虉草（Phalaris arundinacea）、柳枝稷（Panicum virgatum）和蘆竹（Arundo donax）4種能源草做更深層次的研究。 

我國地域廣闊，植物豐富多樣、分布廣泛，草本能源植物種類繁多，在能源草種質(zhì)資源收集篩選方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，并取得了重要的研究成果。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所自“八五”期間開始對國產(chǎn)狼尾草（Pennisetum alopecuroicles）種質(zhì)資源進(jìn)行收集、鑒定和馴化栽培研究，總共收集到7種47份材料。近10年來，北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心收集包括柳枝稷、芒草、蘆竹、芨芨草（Achnatherum splendens）和雜交狼尾草（Pennisetum hybrid）等各類能源草資源208份。鄢家俊等通過對四川境內(nèi)岷江流域、青衣江流域和沱江流域野生斑茅（Saccharum arundinaceum）的收集以及其生物學(xué)性狀的觀察，建議將斑茅作為能源植物進(jìn)行開發(fā)利用。 

如果能源植物細(xì)胞壁含有較高的木質(zhì)素，將會影響其生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化效率。常瑞娜等克隆得到了五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）木質(zhì)素合成的關(guān)鍵酶基因CCoAOMT和4CL，這將有助于進(jìn)一步改良能源植物。芒屬能源草轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能是相對新型的產(chǎn)業(yè)，需要育種和生物技術(shù)的支撐。對于柳枝稷來說，未來要做的工作就是增加高產(chǎn)雜交種的品種數(shù)和使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高產(chǎn)量和纖維素含量。

02 原料草種植及收獲

能源草原料是影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大因素，目前很多國家都已經(jīng)開始大量種植能源草。在愛爾蘭超過90%的供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地都種上了能源草。美國計劃到2030年，多年生能源植物所產(chǎn)生的生物質(zhì)能將占所有生物可再生能源的35.2%。

能源植物在不同時期收獲后，經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的量不同，主要原因是植物的化學(xué)組成隨生長時間而變化。Lehtomki等研究了收獲時期對洋姜（Helianthus tuberosus）、梯牧草（Phleum pratense）-紅三葉（Trifolium pratense）混合以及草蘆等多種能源植物沼氣產(chǎn)量的影響，得出隨著能源植物的成熟，大多數(shù)植物每噸濕重的沼氣產(chǎn)量增加。而Massé等研究了柳枝稷和草蘆在中夏、晚夏和早秋三個時期收獲，厭氧發(fā)酵后青貯草料所產(chǎn)生的沼氣量變化，得出中夏時收獲能源草發(fā)酵所產(chǎn)沼氣量最高，延遲收獲會降低沼氣產(chǎn)量。在能源草的整個生長周期中哪些因素影響其沼氣產(chǎn)量還需要更深入的研究。

03 原料預(yù)處理

由于木質(zhì)纖維素原料具有較高的結(jié)晶度和聚合度，原料轉(zhuǎn)化之前要進(jìn)行預(yù)處理以提高產(chǎn)品的產(chǎn)出率。預(yù)處理的作用主要是改變天然纖維的結(jié)構(gòu)，降低纖維素的聚合度和結(jié)晶度，破壞木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)合層，脫去木質(zhì)素。預(yù)處理的方法主要有物理法、化學(xué)法及生物法等。 

近年來，有關(guān)能源草發(fā)酵預(yù)處理的研究較多。鄒星星等對互花米草（Spartina alterniflora）在厭氧發(fā)酵前進(jìn)行蒸汽爆破處理，發(fā)酵實驗結(jié)果表明，隨著汽爆壓力的增加，累積產(chǎn)氣率呈下降趨勢。Jackowiak等研究了微波預(yù)處理的溫度與處理時間對柳枝稷厭氧發(fā)酵率的影響，發(fā)現(xiàn)只有溫度對其有明顯的影響。Frigon等研究了冬夏兩季收獲的柳枝稷經(jīng)過溫度、聲波降解、堿化、高壓等預(yù)處理后發(fā)酵產(chǎn)沼氣的情況，最終結(jié)論為溫度、聲波降解、高壓對冬季收獲的柳枝稷發(fā)酵產(chǎn)沼氣無明顯影響，但能提高夏季收獲的柳枝稷發(fā)酵產(chǎn)沼氣量。李連華等研究了蒸汽加熱、超聲波及凍融對華南地區(qū)多年生王草（Pennisetum purpureum×P.americanum）厭氧發(fā)酵性能的影響，相比而言，蒸汽加熱能夠明顯降低王草的結(jié)晶度，提高沼氣產(chǎn)氣率。Li等采用熱處理和微波對雜交狼尾草進(jìn)行厭氧發(fā)酵預(yù)處理，結(jié)果表明熱處理提高了其厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量，而微波處理卻起到了相反的作用。肖正等利用沼液對巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）進(jìn)行堆漚處理，15天累積產(chǎn)氣量為406ml/TS。

04 微生物接種物類別

由于在厭氧發(fā)酵過程中微生物起到了至關(guān)重要的作用，而能源草本身所附著的微生物菌群數(shù)量較少，所以在進(jìn)行能源草厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣時需要準(zhǔn)備大量的接種物。

產(chǎn)甲烷菌在大自然中分布較廣，如新鮮的動物糞便、污水處理廠的污泥以及腐敗的河泥都能滿足能源草發(fā)酵產(chǎn)沼氣的要求。宋立等比較了羊糞、鴨糞和兔糞的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力，出鴨糞最好，羊糞次之，兔糞最差。劉德江等設(shè)定了3個牛糞發(fā)酵濃度梯度（總固體物質(zhì)含量為6%、8%和10%）來研究其對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷和硫化氫含量的影響，結(jié)果表明8%為發(fā)酵最佳濃度。Xie等設(shè)定了1∶0、3∶1、1∶1、1∶3和0∶1五個豬糞與青貯草混合比，來研究糞草比對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明1∶1時沼氣中甲烷含量最高。

05 發(fā)酵條件控制

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的溫度、初始pH值以及系統(tǒng)中原料的濃度等因素一直是厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣所研究的領(lǐng)域。一般情況下，厭氧發(fā)酵反應(yīng)在較高溫度下能夠較快地進(jìn)行，因為此時微生物新陳代謝較快，但高溫時反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

劉榮厚等以豬糞為發(fā)酵原料，研究了室溫、中溫（37℃）和高溫（52℃）對其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明，在發(fā)酵初、中期，室溫和高溫實驗組微生物的活性受到影響進(jìn)而抑制了甲烷化反應(yīng)，發(fā)酵后期高溫實驗組的日產(chǎn)氣量明顯高于另兩組。朱洪光等設(shè)置中溫組（35±2）℃和室溫組為15～33℃研究互花米草產(chǎn)沼氣情況，發(fā)現(xiàn)互花米草適合作為生產(chǎn)沼氣的原料，中溫組日平均產(chǎn)氣率為4.58ml/（g?d），常溫組日平均產(chǎn)氣率為2.54ml/（g?d），差別十分明顯。趙洪等設(shè)定了7個pH值梯度（5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5），分析了pH值對新鮮豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)pH值6.5組啟動最快，pH值7.0組和pH值6.5組的總產(chǎn)氣量最高，pH值7.0組的甲烷含量最高，得出發(fā)酵體系的pH值為6.5～7.0時可促進(jìn)厭氧發(fā)酵的啟動，提高沼氣的質(zhì)量。王曉曼以早熟禾（Poa annua L.）、佛手瓜（Sechium edule）莖葉和番茄（Solanum lycopersicum）莖葉為發(fā)酵原料，研究了3種原料的產(chǎn)氣潛力，得出早熟禾累積產(chǎn)氣量最高，影響產(chǎn)氣量的主因素排序為接種量>發(fā)酵濃度>碳氮比，影響甲烷含量的主因素排序為接種量>碳氮比>發(fā)酵濃度。

06 氣體成分分析

沼氣中甲烷及二氧化碳的含量是反映厭氧發(fā)酵過程運(yùn)行狀況的重要參數(shù)。為使厭氧發(fā)酵過程獲得最大的生產(chǎn)效率，整個生產(chǎn)過程必須處于最優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境條件下。目前，沼氣成分檢測的主要方法有奧氏氣體分析方法、氣相色譜GC分析方法、熱催化元件檢測方法和紅外檢測方法等。

在測量甲烷量程上，熱催化元件檢測法為0～5%，其余3種的測量量程為0～100%；氣體成分分析時，奧氏氣體分析方法和氣相色譜GC分析方法還可測定二氧化碳和氧氣的含量，紅外檢測方法除了可以測定二氧化碳和氧氣的含量外，還可測定硫化氫的含量，而熱催化元件檢測法則只能測定甲烷的含量；4種分析方法的氣體分析時間分別為1h、30min、30s、5s；總體來看，紅外檢測方法在各方面優(yōu)勢明顯。粗略估算時可以通過觀察沼氣燃燒的火焰顏色來確定氣體中甲烷的含量。

07 展望

世界能源問題日益突出，迫使各國開發(fā)和利用新能源以緩解國內(nèi)能源的短缺。我國的能源草轉(zhuǎn)化研究工作也在進(jìn)行，但尚處于起步階段，仍需研究工作者的繼續(xù)努力，以及依靠國家政策推廣種植能源草，實現(xiàn)能源草轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)化，為國家能源問題做出貢獻(xiàn)。