溫度對紫莖澤蘭莖稈產(chǎn)沼氣的影響

陳金發(fā)

摘要：以2種不同預處理后的紫莖澤蘭莖稈作為直接發(fā)酵原料，對厭氧發(fā)酵在不同溫度條件下（25～50 ℃）產(chǎn)氣情況以及對原料的利用情況進行比較，結果表明：（1）中溫條件（25～35 ℃）是發(fā)酵的最佳溫度，發(fā)酵產(chǎn)氣量與產(chǎn)甲烷率隨溫度升高而上升；40～45 ℃不利于發(fā)酵微生物（包括非產(chǎn)甲烷微生物與產(chǎn)甲烷微生物）的發(fā)酵作用；50 ℃時，嗜熱菌生長良好，產(chǎn)氣量與產(chǎn)甲烷率得到恢復。（2）發(fā)酵甲烷直接利用對象主要是半纖維素，溫度上升不利于發(fā)酵微生物對木質(zhì)纖維的水解，所以粉狀原料較桿狀原料更適合發(fā)酵產(chǎn)甲烷。本試驗條件下，粉狀原料30 ℃時產(chǎn)氣與產(chǎn)甲烷最佳，TS（總固體）與VS（有機干物質(zhì)）產(chǎn)氣率與產(chǎn)甲烷效率分別為152.8 L/kg TS、74.3 L/kg VS。

關鍵詞：紫莖澤蘭；甲烷；溫度；原料利用；發(fā)酵

中圖分類號： S216.4 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0400-04

通過對日產(chǎn)氣情況的分析可以看出，在預處理過程中，發(fā)酵微生物尤其是非產(chǎn)甲烷微生物有效富集，使得發(fā)酵前期具有較好的產(chǎn)氣能力，且隨著溫度的上升，初期的產(chǎn)氣能力呈增長趨勢，產(chǎn)甲烷率卻呈相反的趨勢。非產(chǎn)甲烷微生物與產(chǎn)甲烷微生物的作用溫度與作用時間存在明顯差異，非產(chǎn)甲烷微生物對高溫適應能力強，所以產(chǎn)甲烷微生物的富集較非產(chǎn)甲烷微生物而言要晚10 d左右，這10 d時間內(nèi)處于發(fā)酵水解階段，主要是非產(chǎn)甲烷微生物對纖維素成分進行水解，為產(chǎn)甲烷微生物提供可直接利用的原料[24]，當非產(chǎn)甲烷微生物對原料進行有效水解后產(chǎn)甲烷微生物生長穩(wěn)定并已經(jīng)較好地適應發(fā)酵環(huán)境，產(chǎn)甲烷率隨著發(fā)酵時間增加而逐漸增大且在后期達到70%以上。

B組原料在45 ℃下日產(chǎn)氣與其他溫度下相近，但產(chǎn)甲烷效率較低，然而C組卻有較高的甲烷產(chǎn)率?？梢?，在這一溫度下物料狀態(tài)對于原料能否被有效利用影響較大，木質(zhì)素的存在是纖維素類原料沼氣發(fā)酵中限速因素，厭氧條件下木質(zhì)素很難生物降解[25]。這可能是由于B組原料未被粉碎，未被粉碎的原料木質(zhì)結構較粉狀更為嚴密，導致微生物不能進行有效分解利用。

2.2 不同溫度下發(fā)酵對TS、VS的利用情況

2.2.1 溫度對TS產(chǎn)氣影響 TS（總固體）利用情況是發(fā)酵微生物對原料利用產(chǎn)氣效率的重要評價指標。由圖4可見，中溫條件下B、C組TS利用率隨溫度升高而上升，40～45 ℃條件下TS利用率急劇下降，B組材料在40 ℃條件下最低，只有2.5%，50 ℃恢復到13%左右。可見，40～45 ℃不利于發(fā)酵微生物群對原料的利用。

C組TS產(chǎn)氣率總體明顯高于B組，粉狀原料較桿狀原料更易被直接利用。C組在30 ℃的TS產(chǎn)氣率最高，達到峰值152.8 L/kg。

2.2.2 溫度對VS產(chǎn)甲烷影響 VS（有機干物質(zhì)）產(chǎn)甲烷情況是產(chǎn)甲烷微生物對有機物質(zhì)（即含有機碳部分）轉(zhuǎn)化利用的評價標準之一。由圖5可以看出，C組VS的利用受到溫度的影響，中溫條件下VS利用率與溫度成正比。B組在45 ℃下利用率最低，表明該溫度對桿狀原料的影響比對粉狀影響大。

C組VS產(chǎn)甲烷率明顯高于B組，表明粉狀原料較桿狀原料更易被直接利用。C組在30 ℃下，VS產(chǎn)氣率達到 74.3 L/kg 的峰值。

2.3 原料不同預處理對利用效率的影響

粗纖維是植物細胞壁的主要組成成分，包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及角質(zhì)等。通過半纖維素與木質(zhì)素的降解數(shù)據(jù)（表2）可以看出，B、C 2組原料中半纖維素平均利用率分別為4.7%、7.0%，C組原料的半纖維素的利用率約為B組的1.5倍，原料利用率更高。2組原料的木質(zhì)素的平均利用率都為1.6%，可以看出發(fā)酵過程中發(fā)酵微生物對木質(zhì)素沒有進行有效的利用，相比半纖維素，天然木質(zhì)纖維素結構更加復雜。進行生物轉(zhuǎn)化的難點在于如何將木質(zhì)素與纖維素降解成為可發(fā)酵糖[25]。生產(chǎn)甲烷的原料利用則主要集中在半纖維素上，未經(jīng)粉碎的桿狀原料相比于粉狀原料，木質(zhì)纖維結構更加緊密，從而降低了微生物對其的利用效果。桿狀原料的木質(zhì)素比粉狀原料更難以被水解，進一步影響了微生物利用半纖維等成分進行沼氣發(fā)酵。

3 結論

試驗表明，中溫條件（25～35 ℃）是發(fā)酵的最佳溫度，發(fā)酵產(chǎn)氣量與產(chǎn)甲烷率隨溫度升高而上升。該濕度條件下，有利于嗜中溫菌發(fā)酵微生物群的富集作用，且對原料（TS、VS）的利用也隨溫度升高而提高。40～45 ℃是發(fā)酵的不利溫度，是嗜中溫菌與嗜熱菌的過渡溫度，不利于發(fā)酵微生物（包括非產(chǎn)甲烷微生物與產(chǎn)甲烷微生物）的發(fā)酵作用，發(fā)酵產(chǎn)氣量、產(chǎn)甲烷率以及對原料的利用都受到一定限制，當達到50 ℃時，嗜熱菌生長良好，成為發(fā)酵作用主要微生物群，產(chǎn)氣量與產(chǎn)甲烷率得到恢復。

粉狀原料較桿狀原料更適于發(fā)酵產(chǎn)甲烷，且受溫度影響程度明顯低于桿狀原料。本試驗條件下，粉狀30 ℃時產(chǎn)氣情況最佳，原料TS產(chǎn)氣率達到152.8 L/kg，VS產(chǎn)甲烷率達到74.3 L/kg。

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