【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(kāi)發(fā)利用新能源無(wú)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(guò)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(kāi)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(duì)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(guó)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(zhuān)用型能源草品種，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；N植和開(kāi)發(fā)利用。1984年，美國(guó)啟動(dòng)“能源草研究計(jì)劃”，集中對(duì)35種草本植物進(jìn)行篩選，獲得了18種具有開(kāi)發(fā)利用潛力的能源草。歐洲對(duì)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(guó)地域廣闊，植物豐富多樣、分布廣泛，草本能源植物種類(lèi)繁多，在能源草種質(zhì)資源收集篩選方面已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了重要的研究成果。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所自“八五”期間開(kāi)始對(duì)國(guó)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(lái)，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(lèi)能源草資源208份。鄢家俊等通過(guò)對(duì)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(guān)察，建議將斑茅作為能源植物進(jìn)行開(kāi)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(huì)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(duì)新型的產(chǎn)業(yè)，需要育種和生物技術(shù)的支撐。對(duì)于柳枝稷來(lái)說(shuō)，未來(lái)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(guó)家都已經(jīng)開(kāi)始大量種植能源草。在愛(ài)爾蘭超過(guò)90%的供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地都種上了能源草。美國(guó)計(jì)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(shí)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(zhǎng)時(shí)間而變化。Lehtomki等研究了收獲時(shí)期對(duì)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(gè)時(shí)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(shí)收獲能源草發(fā)酵所產(chǎn)沼氣量最高，延遲收獲會(huì)降低沼氣產(chǎn)量。在能源草的整個(gè)生長(zhǎng)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(lái)，有關(guān)能源草發(fā)酵預(yù)處理的研究較多。鄒星星等對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shì)。Jackowiak等研究了微波預(yù)處理的溫度與處理時(shí)間對(duì)柳枝稷厭氧發(fā)酵率的影響，發(fā)現(xiàn)只有溫度對(duì)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(guò)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(duì)冬季收獲的柳枝稷發(fā)酵產(chǎn)沼氣無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)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(lèi)別

由于在厭氧發(fā)酵過(guò)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(shí)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(dòng)物糞便、污水處理廠(chǎng)的污泥以及腐敗的河泥都能滿(mǎn)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(gè)牛糞發(fā)酵濃度梯度（總固體物質(zhì)含量為6%、8%和10%）來(lái)研究其對(duì)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(gè)豬糞與青貯草混合比，來(lái)研究糞草比對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，結(jié)果表明1∶1時(shí)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?yàn)榇藭r(shí)微生物新陳代謝較快，但高溫時(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)pH值梯度（5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5），分析了pH值對(duì)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(dòng)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(shí)可促進(jìn)厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)，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?yàn)榻臃N量>發(fā)酵濃度>碳氮比，影響甲烷含量的主因素排序?yàn)榻臃N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(guò)程運(yùn)行狀況的重要參數(shù)。為使厭氧發(fā)酵過(guò)程獲得最大的生產(chǎn)效率，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)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(cè)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(cè)方法和紅外檢測(cè)方法等。

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

07 展望

世界能源問(wèn)題日益突出，迫使各國(guó)開(kāi)發(fā)和利用新能源以緩解國(guó)內(nèi)能源的短缺。我國(guó)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(guó)家政策推廣種植能源草，實(shí)現(xiàn)能源草轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)化，為國(guó)家能源問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。