【***】能源草發(fā)酵產(chǎn)沼氣較新研究進(jìn)展

時(shí)間：2017-03-23作者：湖北銳意自控系統(tǒng)有限公司瀏覽：136

本文針對(duì)當(dāng)前世界能源的利用情況，從能源草的資源收集及培育、原料草種植及收獲、原料預(yù)處理、微生物接種物類別、發(fā)酵條件控制以及氣體成分分析等6個(gè)方面綜述了國內(nèi)外的研究進(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)生物能源較有前景的方法之一。

1、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**型能源草品種，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；N植和開發(fā)利用。1984年，美國啟動(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，較終選擇了芒草（Miscanthus sinensis）、虉草（Phalaris arundinacea）、柳枝稷（Panicum virgatum）和蘆竹（Arundo donax）4種能源草做較深層次的研究。 

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**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(duì)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(duì)四川境內(nèi)岷江流域、青衣江流域和沱江流域**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(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。 

2、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**過90%的供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地都種上了能源草。美國計(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)沼氣量較高，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)量還需要較深入的研究。 

3、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**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(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，較終結(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406 ml/TS。 

4、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(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，得出鴨糞較好，羊糞次之，兔糞較差。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)酵較佳濃度。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)沼氣中甲烷含量較高。 

5、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**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4.58 ml/（g?d），常溫組日平均產(chǎn)氣率為2.54 ml/（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)較快，pH值7.0組和pH值6.5組的總產(chǎn)氣量較高，pH值7.0組的甲烷含量較高，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)氣量較高，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。 

6、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)酵過程獲得較大的生產(chǎn)效率，整個(gè)生產(chǎn)過程必須處于較優(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～**；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1 h、30 min、30 s、5 s；總體來看，紅外檢測(cè)方法在各方面優(yōu)勢(shì)明顯。粗略估算時(shí)可以通過觀察沼氣燃燒的火焰顏色來確定氣體中甲烷的含量。

展望  
世界能源問題日益**，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(shí)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)。

來源：微信公眾號(hào)@沼氣工程及其測(cè)控技術(shù)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)務(wù)必注明出處。


湖北銳意自控系統(tǒng)有限公司專注于沼氣分析儀,煤氣分析儀,煙氣分析儀等

• 詞條

  詞條說明

• 工業(yè)燃煤、燃?xì)?、電熱三大鍋爐投資運(yùn)行費(fèi)用分別是多少

  在鍋爐選型時(shí)，我們常常對(duì)該選擇哪種鍋爐存在困惑，現(xiàn)從鍋爐的投資、運(yùn)行成本以及環(huán)境效益上，為大家解析燃煤、燃?xì)?、電熱三大鍋爐該如何正確選型。另外，在線紅外煤氣分析系統(tǒng)Gasboard-9000系列也能幫你有效的監(jiān)測(cè)工業(yè)鍋爐工況，提高鍋爐運(yùn)行效率。 費(fèi)用明細(xì) 燃煤鍋爐 天燃?xì)忮仩t 電熱鍋爐 鍋爐額定容量 2噸 120萬千卡 1440千瓦 鍋爐價(jià)格 21萬元 32萬元 31.5萬元 配套設(shè)備費(fèi)1 熱水交

• 多組分紅外煤氣燃燒檢測(cè)儀在加熱爐燃燒控制中的應(yīng)用

  加熱爐是軋鋼生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備，要使其氧化燒損率低，加熱工序能耗低，就必須對(duì)加熱爐進(jìn)行燃燒控制。而加熱爐燃?xì)饨橘|(zhì)的熱值，則是直接關(guān)系加熱質(zhì)量及工序消耗的重要參數(shù)。 現(xiàn)以萊鋼集團(tuán)的寬厚板生產(chǎn)線加熱爐為例，其加熱爐使用的燃料為高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣的混合煤氣，存在煤氣成分及熱值波動(dòng)較大、較頻繁的情況，而且無準(zhǔn)確的熱值參數(shù)等問題，給加熱爐燃燒控制帶來很大的困難，直接影響板坯加熱質(zhì)量及氧化燒損率，導(dǎo)

• 在線煤氣分析系統(tǒng)助力靜電除塵工藝安全管理

  焦?fàn)t煤氣在進(jìn)入靜電除塵設(shè)備之前,需要分析焦?fàn)t煤氣含氧量,因?yàn)殪o電除塵設(shè)備中的焦?fàn)t煤氣含氧量達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)引發(fā)爆炸事故,從而損壞設(shè)備和造成人身傷害,所以對(duì)焦?fàn)t煤氣中的含氧量分析及監(jiān)控較為重要。筆者將就在線煤氣分析系統(tǒng)在靜電除塵工藝中的應(yīng)用進(jìn)行探討。 1.煤氣靜電除塵技術(shù) 煤氣除塵技術(shù)在我國已經(jīng)較為成熟，其方法也多樣，本文主要探討的是煤氣靜電除塵。 其工藝原理為：含有粉塵顆粒的氣體，在接有高壓直流電

• *九屆**環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器展覽會(huì)在京開幕

  4月6日，2017*九屆中國(北京)**環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器展覽會(huì)在中國國際展覽中心新館隆重啟幕。本次展會(huì)全面服務(wù)于“十三五”期間中國生態(tài)環(huán)境建設(shè)，匯集了環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)品與新設(shè)備。武漢四方光電攜手子公司湖北銳意自控一起亮相盛會(huì)。 去年以來，銳意自控接連推出了兩款*的煙氣系列較新產(chǎn)品煙氣分析儀（低量程在線型）Gasboard-3000Plus與紫外煙氣分析儀（**低量程）Gasboard-3