能源草發酵產沼氣的研究進展

高鳳芹等

摘要：針對當前世界能源的利用情況，分析了能源草經厭氧發酵生產生物質能——沼氣的可行性，并從能源草的資源收集及培育、原料草種植及收獲、原料預處理、微生物接種物類別、發酵條件控制以及氣體成分分析等6個方面綜述了國內外的研究進展，并對其發展前景做出展望。

關鍵詞：能源草；生物質能；沼氣

中圖分類號：S216.4 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2014）03-0135-05

AbstractAccording to the current utilization situation of energy in the world， the feasibility of producing biomass energy， biogas， from energy grasses through anaerobic fermentation was analyzed. And related research progresses at home and abroad were overviewed from 6 aspects of collection and breeding of energy grass resources， cultivation and harvest of energy grasses， pretreatment of raw materials， category of inoculated microorganism， controlling of fermentation condition and analysis of gas composition. The development prospects were forecasted.

Key wordsEnergy grass； Biomass energy； Biogas

能源是人類社會生存的必要資源和重要戰略物資，是國民經濟的命脈。但是，按照目前的儲存量和開采能力測算，世界上的煤炭、石油、天然氣的可采年限分別是230、45、61年[1]。隨著常規能源的日益枯竭以及大量利用化石能源所排放的二氧化硫和二氧化碳對人類生存環境的嚴重威脅，必須尋找可持續的能源道路，開發利用新能源無疑是出路之一。生物質能具有資源量大、無污染以及可再生等優點，有望解決世界能源短缺、環境污染等重大問題。能源植物是一種可再生的生物質資源，物種豐富，綠色清潔，種植面積大[2]。其中，草本能源植物被認為是最有發展前景的生物質原料之一[3]。

沼氣熱值高，是生物質能源中較具開發和利用前景的一類可再生能源。沼氣是生物質在適宜的溫度、濕度、酸堿度和厭氧條件下，經過微生物的發酵作用而最終產生的一種可燃的混合氣體，其主要成分是甲烷（50%～70%）和二氧化碳（30%～40%），其余氣體為氫氣、氮氣、硫化氫等。沼氣燃燒時釋放出大量熱量，熱值為23 027～25 123 kJ/m3。

能源草生物量大并且含有豐富的木質纖維素，如柳枝稷（Panicum virgatum）生物產量可達20 t/hm2以上[4]，細胞壁含纖維素37.1%、半纖維素32.1%、木質素17.2%[5]。目前厭氧發酵生產沼氣是利用木質纖維素材料轉化為生物能源的最有前景的方法之一[4]。

1研究進展

1.1能源草的資源收集及培育

尋找一種適合厭氧發酵生產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對目標植物進行改良，以提高生物質能的轉化率和改善轉化產品的質量。20世紀80年代，美國和歐洲就已經將多年生草本植物作為能源植物進行系統篩選與研究，培育出了專用型能源草品種，實現了規模化種植和開發利用。1984年，美國啟動“能源草研究計劃”，集中對35種草本植物進行篩選，獲得了18種具有開發利用潛力的能源草[6]。歐洲對大約20種多年生草本植物進行研究，最終選擇了芒（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[7]。

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，在能源草種質資源收集篩選方面已經開展了大量的研究工作，并取得了重要的研究成果。中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所自“八五”期間開始對國產狼尾草（Pennisetum alopecuroicles）種質資源進行收集、鑒定和馴化栽培研究，總共收集到7種47份材料。近10年來，北京草業與環境研究發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[8]。鄢家俊等[9]通過對四川境內岷江流域、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性狀的觀察，建議將斑茅作為能源植物進行開發利用。

如果能源植物細胞壁含有較高的木質素，將會影響其生物質能的轉化效率。常瑞娜等[10]克隆得到了五節芒（Miscanthus floridulus）木質素合成的關鍵酶基因CCoAOMT和4CL，這將有助于進一步改良能源植物。芒屬能源草轉化為生物質能是相對新型的產業，需要育種和生物技術的支撐[11]。對于柳枝稷來說，未來要做的工作就是增加高產雜交種的品種數和使用轉基因技術提高產量和纖維素含量[12]。

1.2原料草種植及收獲

能源草是所有可生產生物質能源的草類能源植物的統稱，一般為越年或者多年生高大的草本植物或者灌木[13]。它具有以下特點：生長迅速，生物產量高；抗逆性強，種植成本低；無污染，生態效益好；可再生，經濟效益高[14]。endprint

能源草原料是影響產業發展的一大因素，目前很多國家都已經開始大量種植能源草。在愛爾蘭超過90%的供農業生產的土地都種上了能源草[15]。芬蘭的草蘆種植面積到2006年時已經超過17 000 hm2[16]。美國計劃到2030年，多年生能源植物所產生的生物質能將占所有生物可再生能源的35.2%[17]。

能源植物在不同時期收獲后，經厭氧發酵產沼氣的量不同，主要原因是植物的化學組成隨生長時間而變化[18]。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量的影響，得出隨著能源植物的成熟，大多數植物每噸濕重的沼氣產量增加[19]。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，厭氧發酵后青貯草料所產生的沼氣量變化，得出中夏時收獲能源草發酵所產沼氣量最高，延遲收獲會降低沼氣產量。在能源草的整個生長周期中哪些因素影響其沼氣產量還需要更深入的研究[20]。

1.3原料預處理

由于木質纖維素原料具有較高的結晶度和聚合度，原料轉化之前要進行預處理以提高產品的產出率。預處理的作用主要是改變天然纖維的結構，降低纖維素的聚合度和結晶度，破壞木質素、半纖維素的結合層，脫去木質素。預處理的方法主要有物理法、化學法及生物法等。

近年來，有關能源草發酵預處理的研究較多。鄒星星等[21]對互花米草（Spartina alterniflora）在厭氧發酵前進行蒸汽爆破處理，發酵實驗結果表明，隨著汽爆壓力的增加，累積產氣率呈下降趨勢。Jackowiak等[22]研究了微波預處理的溫度與處理時間對柳枝稷厭氧發酵率的影響，發現只有溫度對其有明顯的影響。Frigon等[23]研究了冬夏兩季收獲的柳枝稷經過溫度、聲波降解、堿化、高壓等預處理后發酵產沼氣的情況，最終結論為溫度、聲波降解、高壓對冬季收獲的柳枝稷發酵產沼氣無明顯影響，但能提高夏季收獲的柳枝稷發酵產沼氣量。李連華等[24]研究了蒸汽加熱、超聲波及凍融對華南地區多年生王草（Pennisetum purpureum× P.americanum）厭氧發酵性能的影響，相比而言，蒸汽加熱能夠明顯降低王草的結晶度，提高沼氣產氣率。Li等[25]采用熱處理和微波對雜交狼尾草進行厭氧發酵預處理，結果表明熱處理提高了其厭氧發酵的沼氣產量，而微波處理卻起到了相反的作用。肖正等[26]利用沼液對巨菌草（Pennisetum sinese Roxb）進行堆漚處理，15天累積產氣量為406 ml/TS。

1.4微生物接種物類別

由于在厭氧發酵過程中微生物起到了至關重要的作用，而能源草本身所附著的微生物菌群數量較少，所以在進行能源草厭氧發酵產沼氣時需要準備大量的接種物。產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酵產沼氣的要求。宋立等[27]比較了羊糞、鴨糞和兔糞的厭氧發酵產沼氣潛力，得出鴨糞最好，羊糞次之，兔糞最差。劉德江等[28]設定了3個牛糞發酵濃度梯度（總固體物質含量為6%、8%和10%）來研究其對厭氧發酵產沼氣中甲烷和硫化氫含量的影響，結果表明8%為發酵最佳濃度。Xie等[29]設定了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酵產沼氣的影響，結果表明1∶1時沼氣中甲烷含量最高。

1.5發酵條件控制

厭氧發酵系統的溫度、初始pH值以及系統中原料的濃度等因素一直是厭氧發酵產沼氣所研究的領域。一般情況下，厭氧發酵反應在較高溫度下能夠較快地進行，因為此時微生物新陳代謝較快，但高溫時反應系統穩定性較差。劉榮厚等[30]以豬糞為發酵原料，研究了室溫、中溫（37℃）和高溫（52℃）對其厭氧發酵產沼氣的影響，結果表明，在發酵初、中期，室溫和高溫實驗組微生物的活性受到影響進而抑制了甲烷化反應，發酵后期高溫實驗組的日產氣量明顯高于另兩組。朱洪光等[31]設置中溫組（35±2）℃和室溫組為15～33℃研究互花米草產沼氣情況，發現互花米草適合作為生產沼氣的原料，中溫組日平均產氣率為4.58 ml/（g·d），常溫組日平均產氣率為2.54 ml/（g·d），差別十分明顯。趙洪等[32]設定了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酵產氣量和產氣特性的影響，研究發現pH值6.5組啟動最快，pH值7.0組和pH值6.5組的總產氣量最高，pH值7.0組的甲烷含量最高，得出發酵體系的pH值為6.5～7.0時可促進厭氧發酵的啟動，提高沼氣的質量。王曉曼[33]以早熟禾（Poa annua L.）、佛手瓜（Sechium edule）莖葉和番茄（Solanum lycopersicum）莖葉為發酵原料，研究了3種原料的產氣潛力，得出早熟禾累積產氣量最高，影響產氣量的主因素排序為接種量>發酵濃度>碳氮比，影響甲烷含量的主因素排序為接種量>碳氮比>發酵濃度。

1.6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酵過程運行狀況的重要參數。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1 h、30 min、30 s、5 s；在設備及藥品的購買價格上，紅外檢測方法和氣相色譜GC分析方法比奧氏氣體分析方法和熱催化元件檢測方法高10倍以上[34]。因此，4種分析方法各有利弊。另外，還可通過利用氫氧化鈉、氫氧化鉀或者其他強堿性溶液吸收沼氣中的二氧化碳和硫化氫，測定沼氣中甲烷和二氧化碳的含量[35]。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[36]。endprint

2展望

世界能源問題日益突出，迫使各國開發和利用新能源以緩解國內能源的短缺。生物質能的利用是解決能源問題的一條重要途徑。然而，目前能源草的研究工作并不成熟，仍需研究工作者的繼續努力。

2.1能源草的資源收集及培育

在能源草的資源收集方面，我國已經做了很多研究，但還要在此基礎上開展更加廣泛的能源草野生種植資源的調查工作，進而豐富可利用能源草的多樣性。此外，還要建立良好的能源草資源評價體系，以篩選出適應性好、生物產量高、植物化學成分優異的能源草本植物。育種工作者應進行有針對性的育種研究，如要在邊際土地上種植能源草，就應以耐干旱、耐鹽堿、耐貧瘠為育種目標進行研究。

2.2原料草種植及收獲

對于具有利用潛力的能源草，應該先進行栽培管理試驗，研究并掌握大面積種植時所需要的栽培、管理、生產以及運輸等一系列技術，進而為生物質能源生產提供更多的、優質的原料。結合我國國情，發展能源草種植應該遵循“三不一充分”方針，即不爭糧，不爭耕地，不爭（食用）油、糖，充分利用邊際土地[37]。資料顯示，我國共有各類宜能邊際土地3 420萬公頃，其中宜能荒地約2 680萬公頃[38]。如果這些土地都種上能源草，不僅能解決能源草轉化生物質能源的原料問題，還會發揮很大的生態效益。但是，邊際土地的生態環境比較惡劣，難以滿足大多數作物直接播種時對土壤條件的要求，所以以后的研究方向應該放在采用何種技術能夠使播施的種子順利完成種子萌發和早期幼苗階段的生長，例如可以嘗試采用種子包衣來提高種子的發芽率和保苗率。

確定能源草的收獲時期對于能源草轉化生物質能源的研究工作至關重要，目前這方面的研究較少，將成為以后的研究重點。能源草收獲后，如果貯藏方式不恰當將會導致微生物容易利用的糖類、蛋白質等營養的流失，可以采取青貯保存能源草以避免此現象的發生。青貯過程草料暴露時間較少，幾乎不受日曬、雨淋等天氣條件的影響，并且青貯的微生物發酵過程會降解一部分纖維素，改善轉化生物質能過程中纖維素難降解的問題。

2.3原料預處理

預處理能夠加速纖維素的分解，有效地提高能源草轉化沼氣的效率，縮短產氣周期。但是，能源草的原料預處理也存在一些問題，諸如增加了一定的費用，并且化學處理還會出現二次污染現象。所以應在原有的基礎上，加強對生物法預處理的研究工作，以找到成本低、高效的生物酶和微生物等。

2.4微生物接種物類別

能源草厭氧發酵過程需要微生物的參與，不同的微生物接種物會直接導致微生物菌群類型和數量的差異，進而會影響能源草厭氧發酵系統的啟動和運行，所以應該尋找到適合能源草厭氧發酵的微生物接種物。能源草具有飼用價值，例如柳枝稷[39]，可以嘗試將采食能源草的動物所排泄的糞便作為微生物接種物進行沼氣發酵試驗，并評價經動物自身選擇后的消化道微生物區系對發酵試驗的影響。

2.5發酵條件控制

為使厭氧發酵過程獲得最大的生產效率，整個生產過程必須處于最優化的運行參數和環境條件下。影響沼氣發酵的重要工藝條件有溫度、酸堿度、濃度等，其中溫度較難受到控制，因為其直接影響到微生物菌群的穩定，所以在以后的研究中應將確定適合能源草厭氧發酵系統的溫度范圍作為重點。

3結語

生物質能作為可再生能源的研究開發始于20世紀70年代初的“石油危機”，發展至今有些國家已經獲得了成功。我國的研究工作也在進行，能源草轉化的研究工作還處于起步階段，研究尚不系統，仍需加強能源草資源的開發及轉化技術的研究，依靠國家政策推廣種植能源草，實現能源草轉化產業化，為社會主義新農村建設和國家能源安全做出貢獻。

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