啤酒糟產沼氣潛力試驗研究

熊 霞， 施國中， 李淑蘭， 孔垂雪

( 1.農業部沼氣科學研究所， 成都 610041; 2.農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041)

項目來源： 中國農業科學院科技創新工程(CAAS-ASTIP)

啤酒糟產沼氣潛力試驗研究

熊 霞1，2， 施國中1，2， 李淑蘭1，2， 孔垂雪1，2

( 1.農業部沼氣科學研究所， 成都 610041; 2.農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 成都 610041)

文章以啤酒糟為發酵原料，在厭氧發酵溫度35℃±1℃條件下進行序批式沼氣發酵試驗，發酵歷時60 d，總固體TS濃度為6%時,其原料產氣率為115 mL·g-1，TS 產氣率為139 mL·g-1TS，VS 產氣率為149 mL·g-1VS，池容產氣率為0.11 mL·mL-1d-1。結果表明，啤酒糟是較好的沼氣發酵原料。

啤酒糟； 厭氧發酵； 產氣潛力

啤酒糟俗稱麥糟、麥芽糟，是由麥芽和不發芽的谷物原料因在糖化中由于不溶解而形成的, 主要是由麥芽的皮殼、葉芽、不溶性蛋白質、半纖維素、脂肪、灰分、極少量的未分解淀粉和可溶性浸出物等組成,大約占啤酒總生產量的四分之一[1-2]。隨著我國啤酒年產量不斷增加，啤酒釀造過程中的酒糟量也在逐年迅速增加，按每生產l kL啤酒產生0.25 t的濕啤酒糟計，僅2015年我國啤酒糟的產量就接近1200萬t。然而，我國對于啤酒糟的處理，目前工廠主要是將濕糟作為粗飼料直接低價出售，其收益甚微，有的則是將啤酒糟直接排入河流，不僅造成嚴重的環境污染，同時還導致了資源的巨大浪費[3-5]。現階段，對利用啤酒糟厭氧消化制取清潔高效能源—沼氣的研究甚少，若能充分有效地利用啤酒糟厭氧發酵產沼氣，既可解決環境污染的問題，還能實現啤酒糟的生物質資源化利用。

在自然界中，沼氣發酵原料十分豐富，幾乎所有有機物都能作為沼氣發酵原料。一般認為，除礦物油和木質素外都能被微生物利用，發酵產生沼氣[6]。啤酒糟作為由大麥為原料加工制取啤酒后的主要副產物，理論上可以作為厭氧發酵原料，產生沼氣。沼氣發酵是一系列微生物生命活動的結果，需要多種發酵條件配合才能正常的進行，其中主要的影響因素之一是原料的碳氮比。一般認為C /N 在(20～30)∶1時，比較適合沼氣發酵。由表1原料及接種物的基本特性中可知，啤酒糟的C/N為22∶1，從這方面來說啤酒糟是很好的發酵原料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發酵原料為干啤酒糟，取自貴州某酒廠。接種物為實驗室長期馴化的厭氧發酵活性污泥。經測定，原料及接種物各自的基本特性見表1。

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要由發酵瓶、控溫裝置和集氣裝置3部分組成。發酵瓶采用容積為1000 mL(有效容積800 mL)的富光牌塑料瓶；控溫裝置是型號為SHH.W21 600型的恒溫水浴鍋，控溫精度為±1℃；集氣采用排水集氣法，集氣裝置為橡膠塞密封的1000 mL 廣口瓶；用橡膠導管和玻璃導管將發酵瓶與集氣瓶相連接，在取氣裝置處采樣進行氣體成分測試，如圖2所示。

表1 原料及接種物的基本特性

1.恒溫水浴鍋； 2.發酵瓶； 3.橡膠管； 4.取氣裝置； 5.集氣瓶圖2 厭氧發酵裝置圖

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

試驗采用中溫35℃±1℃ 序批式發酵工藝進行厭氧發酵試驗。試驗分別設3個平行組，1個空白對照組。試驗組為配制成總固體TS濃度為6%，30%體積的接種物，總有效體積為800 mL 的混合發酵物；空白對照組為僅加接種物，補加清水至800 mL刻度線的混合發酵物。攪拌均勻后，在相同的環境下，進行為期60 d厭氧發酵試驗。

1.3.2 測試項目

(1)產氣量測定：排水集氣法每天定時記錄(每日用量筒測量水的體積以確定產氣量)。

(2)TS(總固體含量)測定：采用烘干恒重法測定，將樣品在105℃±5℃下烘至恒重，計算樣品除水分后干物質的質量分數[7]。

(3)VS(揮發性固體含量)測定：采用重量法測定，將TS測定后恒重的總固體在600℃下燒至恒重，計算揮發性物質的質量分數[7]。

(4)甲烷含量測定: 采用GC122型氣相色譜儀每天定時測定。

(5)pH 值:采用pHS-3C型pH計測定。

(6)C，N 元素含量: 采用Euro EA300 元素分析儀測定。

(7)粒徑測定：隨機從原料中選取最大顆粒3份，用游標卡尺進行測量，取平均數。

2 結果與討論

2.1 日產氣量分析

啤酒糟厭氧發酵日產氣量( 實驗組日產氣量減去對照組日產氣量的余值)連線圖，如圖3中所示。由圖3可知，整個啤酒糟厭氧發酵實驗，歷時60天，日平均產氣量為85.2 mL，累計產氣量為5112.2 mL。

總體上來看，發酵過程符合沼氣發酵的一般規律，產氣量先是逐漸上升，達到最高峰后再逐漸減少，直到發酵結束。從日產氣量曲線看，整個發酵過程共出現2個產氣高峰，可能是由啤酒糟的組成成分特性引起的。隨著發酵的進行，啤酒糟厭氧發酵日產氣量逐漸增加，在第18天達到最高峰(270 mL)，這可能是因為啤酒糟中的蛋白質和淀粉等易分解物質被厭氧微生物優先轉化為沼氣; 隨后啤酒糟發酵日產氣量逐漸降低，在第37天降至23.8 mL; 之后開始上升，在第40 天出現了第2個高峰，也就是峰值82 mL，這可能是隨著時間的推移啤酒糟中的部分纖維素等難降解物質部分降解;隨之產氣量又逐漸減少，到第43天日產氣量減少至52 mL；最后從第44～60天，日產氣量降至50 mL以下，在12～41 mL之間小范圍波動，試驗終止。

圖3 啤酒糟厭氧發酵日產氣量

2.2 產氣速率分析

對試驗中的累積產氣量進行統計，結果見表2。由表2可以看出，在整個發酵過程中，前10 d產氣較慢，僅占總產氣量的16.94%；發酵11～15 d，共產氣1002 mL，占總產氣量的19.60%；發酵16～20 d，共產氣1071 mL，占總產氣量的20.95%；發酵21～25 d，共產氣677.5 mL，占總產氣量的13.25%；發酵25～30 d，共產氣388.5 mL，占總產氣量的7.60%；發酵30～60 d，共產氣1107 mL，占總產氣量的21.65%。從以上規律可知，啤酒糟厭氧發酵的產氣周期主要集中在11～25 d，而最快產氣階段主要集中在16～20 d。以上分析表明，在發酵后16～20 d，沼氣發酵系統中微生物活躍程度達到最高峰，原料中的有機物被厭氧微生物快速有效地降解，產生大量甲烷、二氧化碳等氣體。

表2 累計產氣量

2.3 甲烷含量分析

圖4是啤酒糟厭氧發酵產生沼氣中甲烷含量的變化圖。從圖4中可以看出，甲烷含量在厭氧發酵的初始階段含量都很低，這主要是由于在初始階段產甲烷菌的活性不高，主要是以產酸菌的活動為主，因此出現甲烷含量較低的現象；在厭氧發酵第5天左右，沼氣中甲烷的含量已經達到較高水平，此時主要是由于產甲烷菌在利用底物分解后的小分子的組分，進行迅速的生產繁殖及產生甲烷；厭氧發酵的第12天，沼氣中的甲烷含量達到51%，且此后甲烷含量一直保持在50%～62%之間，這是因為隨著反應的進行，產酸菌和產甲烷菌的生長繁殖趨于穩定平衡；在厭氧反應的后期，沼氣中的甲烷含量有下降的趨勢，發酵原料大部分已經被利用，產酸菌生長繁殖速率下降，這是由于產酸菌產生的代謝產物可能滿足不了產甲烷菌的需求。

圖4 啤酒糟厭氧發酵甲烷含量

2.4 產氣潛力分析

通過啤酒糟的TS含量，VS含量，發酵瓶有效容積和總產氣量可以計算出原料的TS 和VS 產氣率、原料產氣率及池容產氣率，結果見表3。

表3 啤酒糟6%TS發酵濃度的產氣潛力指標

3 結論

通過以30%污泥為接種物，啤酒糟為發酵原料，設定發酵TS濃度為6%，嚴格控制發酵溫度(35℃±1℃)，將實驗組與空白組發酵60 d 產氣效果進行了分析，得出以下結論:

(1) 在整個發酵過程中，啤酒糟發酵日平均產氣量85.2 mL，共產氣5112.2 mL，經過計算啤酒糟的原料產氣率為115 mL·g-1，TS 產氣率為139 mL·g-1TS，VS 產氣率為149 mL·g-1VS，池容產氣率為0.11 mL·mL-1d-1，且產氣質量較高，甲烷含量在50%以上。由此可見，啤酒糟沼氣發酵是可行的，且其原料產氣率、池容產氣率和甲烷含量較高，具有較好的工程應用基礎。

(2) 以啤酒糟為發酵原料，產氣啟動較快，發酵25 d，共產氣3616.7 mL，占總產氣量的70.75%。由此可知，啤酒糟的主要產氣階段集中在前25 d，具有較短的原料停留時間，在實際工程中，可根據工程設計要求和利益最大化原則，將水力停留時間設計為25 d。

此次研究僅對啤酒糟的產氣潛力進行了研究，為啤酒糟的無害化處理提供了一種新的思路。后期還需要對啤酒糟沼氣工程的工藝和參數進行進一步的優化研究。

[1] 王家林,王 煜.啤酒糟的綜合應用[J].釀酒科技,2009(7):99-102.

[2] 于政道，付 狀，徐宇鵬，等.秸稈、牛糞與啤酒糟混合厭氧發酵特性的研究[J].河南農業大學學報,2015,49(5):662-665.

[3] 鄒 正，陳力力，王雅君，廖杰瓊.啤酒糟發酵應用[J].China Brewing,2011(10): 20-23.

[4] 郭萌萌,趙建德,杜金華.啤酒糟在國內外食品加工中的利用現狀[J].China Brewing,2013(32): 24-27.

[5] 葉春苗，王子丹.啤酒糟綜合利用研究現狀[J].農業科技與裝備,2015(3): 63-64.

[6] 徐曾符.沼氣工藝學[M].北京: 農業出版社，1981: 68．

[7] 國家環保局.水和廢水監測分析方法[M].北京:中國環境科學出版社,1989．

BiogasPotentialofBrewer’sGrain/

XIONGXia1，2，SHIGong-zhong1，2，LIShu-lan1，2，KONGChui-xue1，2/

(1.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture，Chengdu610041，China； 2.LaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEenry,MinistryofAgriculture，Chengdu610041，China)

Brewer’s grain was anaerobically fermented in sequencing batch reactor for 60 d under constant temperature of 35℃±1℃. The results showed that, under the fermentation TS concentration of 6%, the gas production potential of raw material was 115 mL·g-1， and that of TS was 139 mL·g-1，and 149 mL·g-1for VS。The volumetric gas production was 0．11 mL·mL-1d-1.

brewer’s grain; anaerobic fermentation; biogas yield

2017-05-12

熊 霞(1985-)，女，四川眉山人，碩士，主要從事農村能源的研究工作，E-mail：4483962512@qq.com

施國中，E-mail：brtc666@163.com

S216.4； X703

A

1000-1166(2017)04-0033-03