一种提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物质能源领域，具体涉及一种提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方 法。
【背景技术】
[0002] 随着化石能源的短缺和生态环境的恶化，生物质能源越来越受到人们的重视。第 一代生物质燃料主要为玉米和甘蔗生产的生物乙醇，但是以玉米和甘蔗为原料存在"与人 争粮、与人争糖"的问题。因而，以木质纤维素为原料的第二代生物燃料迅速发展起来。
[0003] 沼气是生物质能源中较具开发前景的一类可再生能源。我国天然气消费量较大， 已成为世界第三大天然气消费国。根据中石油经济技术研究院统计，我国的天然气消费在 未来数年内将保持每年10%左右的增长速度。但是，我国天然气的消费很大程度上依赖国 外进口，国内供给并不能满足需求。
[0004] 因此，以生物质为原料生产沼气来补充国内供给、降低天然气的对外依存度具有 重要意义，同时，以生物质为原料生产沼气的大规模工业化十分必要且非常迫切。
[0005] 以木质纤维素为主要成分的能源草，是沼气生产的重要原料之一。木质纤维素主 要由纤维素、半纤维素和木质素三种物质组成。其中，半纤维素和纤维素通过氢键相连，并 形成错综复杂的交联结构，而难降解的木质素则在外周形成保护层；同时，结晶区纤维素微 纤丝中分子链排列紧密、有序堆积、分子间结合力强，这样的结构使得木质纤维素具有抗降 解能力，在厌氧发酵过程中水解效率较低，从而影响了木质纤维素原料向沼气等生物质能 源产品的高效转化。因此，木质纤维素的预处理技术成为提高生物质转化效率的重要措施。
[0006] 关于能源草的预处理技术主要有化学法、生物法、物理法以及几种方法相结合等 措施。化学方法有酸处理、碱处理、离子液体处理以及氧化处理等，虽然反应速度快，效果较 好，但是易产生废液等物质对环境造成二次污染。生物方法如微生物预处理、酶处理、青贮 等，虽然反应条件温和、耗能小、无污染，但是周期较长。物理法虽然不存在污染和反应时间 长的问题，但是高温高压、蒸汽爆破等耗能大、成本高。
[0007] 因此，需要提供一种有效的能源草预处理方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的第一目的是提供一种提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方法。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方法，该 方法包括以下步骤：
[0010] 1)冷冻干燥：将新鲜能源草切短至5~10cm，于冷冻干燥机中冷冻干燥60~80h， 粉碎，过0. 5~2mm筛；
[0011] 2)微波处理：将能源草与蒸馏水按重量比1:25~1:35 (优选1:30)的比例混合进 行微波预处理；所述微波预处理包括升温阶段、保温阶段和降温阶段；在所述升温阶段，将 微波处理温度由室温按8~15°C /min的升温速率升至加热终温，保温阶段维持加热终温保 持O~20min ;保温阶段结束后，预处理体系进入降温阶段，温度由加热终温逐渐降至室温。
[0012] 本发明先将新鲜能源草冷冻干燥，冻干能源草不仅可以长期保存，而且进行微波 预处理后甲烷产量提高。
[0013] 上述预处理方法中：
[0014] 所述能源草为草本能源植物的各部分。
[0015] 所述草本能源植物为柳枝稷、芒草、芦竹、藹草、荻或杂交狼尾草等中的一种或几 种；优选柳枝稷，本发明所述方法尤其适用于柳枝稷，处理效果尤为显著。
[0016] 本发明所述的方法，优选步骤1)的冷冻干燥步骤为：将新鲜能源草切短至5~ 10cm，于冷冻干燥机中冷冻干燥72h，粉碎，过Imm筛。
[0017] 本发明所述的方法，优选步骤2)中所述微波预处理条件：升温速率9~12°C / min，加热终温为90-180°C、保温阶段维持加热终温保持10_15min。
[0018] 优选为，升温速率10°C /min，加热终温为180°C、保温阶段维持加热终温保持 lOmin。本发明同时提供了上述预处理方法得到的能源草，所述能源草具有木质纤维素结构 松散、细胞壁易被降解等的优点，能够高效制备沼气等生物质能源产品。
[0019] 本发明还提供了上述预处理的能源草在厌氧发酵产沼气方面的应用。
[0020] 本发明所述应用包括以下步骤：将预处理后的能源草混合液pH调节至7. O~ 7. 5,按VS底物/VS接种物=1~2比例加入沼液，用尿素调节碳氮比至22~30,混合均匀后， 于35~39°C厌氧发酵50~75天。
[0021] 优选将预处理后的能源草混合液pH调节至7. O~7. 5,按VS底物/VS接种物=L 5比 例加入沼液，用尿素调节碳氮比至25~28,混合均匀后，于37°C厌氧发酵60天。
[0022] 其中，所述沼液可沿用现有技术公开的多种已知产品，本发明对此不作特别限定。
[0023] 此外，本发明在上述发酵过程中，采用装满饱和食盐水的倒置量筒收集气体，量取 沼气体积；用气相色谱仪进行气体成分检测；计算甲烷的体积。
[0024] 本发明提供的方法具有以下优点；
[0025] 1、本发明提供的提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方法包括冷冻干燥和微波两 种处理，这种预处理方法可以打破能源草细胞壁抗降解屏障，破坏细胞壁中纤维素、半纤维 素和木质素的交联结构，使得纤维素比表面积增大、可及性增强，有利于微生物和酶的附着 以及纤维素的降解，提高甲烷产量，缩短发酵时间。
[0026] 2、近年来，随着化石燃料的短缺和环境的恶化，以木质纤维素为原料的生物质能 源迅速发展起来。由于植物细胞壁具有抗降解性，因此预处理技术应运而生。但是，化学方 法存在二次污染问题，生物方法周期较长，高温高压、蒸汽爆破等耗能较大。微波技术的优 势在于微波加热具有整体性、热惯性小、热能利用高效等特点，在木质纤维素原料预处理方 面可行性较高。冷冻干燥可以较好地保存样品中可溶性碳水化合物，减少干燥过程中厌氧 微生物可利用营养物质的损失。因此，采用冷冻干燥技术与微波技术相结合的方法对木质 纤维素原料进行预处理来提高厌氧发酵产甲烷量具有较大的发展前景。
【具体实施方式】
[0027] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0028] 实施例1
[0029] 本实施例提供了一种提高能源草厌氧发酵产沼气效能的方法，该方法包括以下步 骤：
[0030] 1)将新鲜柳枝稷茎杆切短至5~10cm，于冷冻干燥机中冷冻干燥72h，粉碎，过 1mm 筛。
[0031] 2)将柳枝稷茎杆与蒸馏水按1:30(W:W)的比例混合进行微波预处理。微波预处 理过程共分为三部分，分别为升温阶段、保温阶段和降温阶段。在升温阶段，升温速率采用 KTC /min，微波处理温度由室温升至目标温度（即加热终温）后，升温阶段结束，进入保温 阶段。在保温阶段，温度一直维持在所设定的加热终温180°C，保温阶段所持续的时间为终 温保持时间l〇min。保温阶段结束后，预处理体系进入降温阶段，温度由加热终温逐渐