高压脉冲电场对杂交狼尾草厌氧发酵沼气产气率的影响

天然气工业·132·2017年7月高压脉冲电场对杂交狼尾草厌氧发酵沼气产气率的影响王白娟1　陈婷1　秦向东1,2　吴奇1　赵艳1　白顺星1,2　彭文1　冯博11.云南农业大学　2.云南省高校生物天然气产业化技术工程研究中心摘　要　为提高杂交狼尾草厌氧发酵的原料利用率及沼气产气率，采用不同条件下的高压脉冲电场（HighVoltagePulsedElectricField，缩写为HPEF）对杂交狼尾草原料进行预处理，在中温（35℃）、TS质量分数6％、接种率20%、初始pH值为7.0的条件下，进行32d厌氧消化试验。结果表明：①经HPEF预处理的9组杂交狼尾草厌氧发酵的产气效果均明显优于对照组，其累计产气量都比对照组高，日产气量的峰值及甲烷浓度的最大值也有所增加；②促进作用最显著的HPEF条件为15kV/120Hz/60min，其在32d的发酵期间累计产气量达9587mL，与对照组相比增幅达26.95%，其日产气量峰值与高峰期范围也有所增加；发现HPEF的最佳处理时间为60min，HPEF三参数对产气效果均有着较好的影响，影响程度大小排序为电压＞时间＞频率；④各处理参数对日产气量峰值的影响顺序依次为电压、频率、时间。结论认为：HPEF能够有效提高杂交狼尾草厌氧发酵的原料利用率及产气率、缩短产气周期，该物理手段的预处理方法充分实现了狼尾草的资源化利用，有效扩充了能源植物的种类。关键词　杂交狼尾草　厌氧发酵　高压脉冲电场（HPEF）　沼气　原料利用率　产气率　模型　促进作用DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2017.07.020Effectofhigh-voltagepulsedelectricfield(HPEF)pretreatmentonbiogasproduc-tionratesofhybridPennisetumbyanaerobicfermentationWangBaijuan1,ChenTing1,QinXiangdong1,2,WuQi1,ZhaoYan1,BaiShunxing1,2,PengWen1&FengBo1(1.YunnanAgriculturalUniversity,Kunming,Yunnan650201,China;2.EngineeringandResearchCenterforIndustri-alBiogasTechnologyofYunnanProvinceUniversity,Kunming,Yunnan650201,China)NATUR.GASIND.VOLUME37,ISSUE7,pp.132-138,7/25/2017.(ISSN1000-0976;InChinese)Abstract:Inthispaper,therawmaterialsofhybridPennisetumwaspretreatedindifferentconditionsofhighvoltagepulsedelectricfield(HPEF)toimproveitsmaterialutilizationratiosandbiogasproductionratesofanaerobicfermentation.Then,anaerobicdigestionexperi-mentswereconductedwithin32daysatmoderatetemperature(35℃)withTSmassfraction(6%),inoculationrate(20%)andinitialpH(7.0).Itisindicatedthatcomparedwiththecontrolgroup,9groupsofhybridPennisetumpretreatedbyHPEFareobviouslysuperioringasproductionefficiencyofanaerobicfermentation,andhigherincumulativegasproduction,peakdailygasproductionandmaximummethaneconcentration;thatthemostremarkablestimulationoccursintheHPEFconditionof15kV/120Hz/60min,inthatsituation,thecumulativegasproductioninthefermentationperiodof32daysisupto9587mL,26.95%higherthanthatofthecontrolgroup,thepeakdailygasproductionincreasesandtherangeofpeakperiodextends.ItisdemonstratedthattheoptimalHPEFpretreatmenttimeis60minandthreeHPEFparametershaveabettereffectongasproductionintheorderofvoltage＞time＞frequency;andthattheeffectdegreeoftreatmentparametersonpeakdailygasproductionisvoltage,frequencyandtimeinturn.ItisconcludedthatHPEFcanimprovemate-rialutilizationratioandgasproductionrateofhybridPennisetumbyanaerobicfermentationandshortenthegasproductioncycle.Byvir-tueofthisphysicalpretreatmentmethod,theresourceofPennisetumisutilizedsufficientlyandtheclassesofenergyplantsareenlargedeffectively.Keywords:HybridPennisetum;Anaerobicfermentation;Highvoltagepulsedelectricfield(HPEF);Biogas;Materialutilizationratio;Gasgenerationrate;Model;Stimulation基金项目：国家自然科学基金项目（编号：61561054）、云南省高校生物天然气产业化技术工程研究中心建设项目。作者简介：王白娟，女，1979年生，副教授，硕士；主要从事农业物理方面的研究工作。地址：（650201）云南省昆明市盘龙区云南农业大学。ORCID:0000-003-4312-7572。E-mail:[e-mail]新　能　源·132··133·第37卷第7期0　引言生物质能源是世界上第四大能源，具有可再生、资源丰富、环境友好等特点，能替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途径之一[1-2]。目前，世界上许多国家都开始开展能源植物或石油植物的研究，并通过引种栽培，建立新的能源基地，如“石油植物园”“能源农场”等，其中发达国家用于生产生物柴油的原料有大豆、香槐、黄鼠草（美国）、油菜籽（欧盟成员国）、棕榈油（东南亚国家）、木棉、桉树（澳大利亚）、海桐花（菲律宾），以此满足对能源结构调整和生物质能源的需要[3]。而能源草是一种可再生的生物质资源，具有易获得、产量高、储量丰富等特点，是最有发展前景的生物质原料之一[4]。杂交狼尾草作为一种能源草本植物主要分布在我国长江中下游一带和南方地区，具有生物产量高，再生能力强，生长季内可多次刈割利用等优点，是一种具有较大发展潜力的能源作物[5-6]。目前，利用杂交狼尾草厌氧发酵生产沼气已成为很多研究人员关注的对象，但狼尾草作为沼气发酵碳源，在实际使用中存在如下问题：狼尾草发酵原料得不到充分的利用，导致实际沼气转换率（原料利用率）很低[7-9]。目前解决该问题的主要途径是对原料进行预处理，其基本目的就是断裂半纤维素和木质素的氢键，破坏保护层，降低纤维素的聚合度和结晶度，使其结构疏松，增加有效比表面积，使纤维素的可及度增加，易于降解。高压脉冲电场(HighVoltagePulsedElectricField，简称HPEF)非热处理技术因处理时间短、能耗低、无污染等诸多特点成为食品工业领域的技术研究热点之一，主要应用于食品工业领域的微生物的杀灭，高压脉冲电场除了应用于杀菌保鲜外，也越来越多地应用于物质提取、白酒和红酒的陈化、普洱茶的陈化、污水处理、烟草除虫等[10-13]。在国外，López等[14]利用高压脉冲电场技术提取甜菜中的蔗糖，结果表明提取率随电场强度、提取时间和提取温度升高而逐渐增加；Corrales等[15]采用PEF技术提取葡萄副产物中总酚成分，研究表明，提取1h后，总酚含量与对照品相比提高50％；在国内，张燕等[16]研究发现，利用高压脉冲电场辅助工艺提取树莓中花青素，其单花青素总含量和总酚含量均显著高于传统热溶剂法、微波法和超声波提取法；罗炜等[17]研究表明，PEF处理红莓果能有效地提高花色苷的溶出率，并且可以缩短提取时间，提取率会随着处理脉冲数的增加而升高，进一步证实PEF技术辅助工艺在提取效率和品质上更有优势。然而利用高压脉冲电场技术对发酵物进行处理未见相关报道。因此，以高压脉冲电场新技术为突破点，提高狼尾草作为沼气池发酵原料的利用率及沼气产生率是非常必要的。笔者使用高压脉冲电场对杂交狼尾草进行处理，研究HPEF对杂交狼尾草厌氧发酵产沼气量、气体甲烷浓度的影响，以期为利用HPEF技术提高狼尾草沼气发酵产量提供依据。1　材料与方法1.1　实验材料与设备实验原料：自种杂交狼尾草的地上部分，取自云南农业大学后山。选取其中2.5m高的新鲜样品，切成2～3cm段阴干，常温密封保存备用。接种菌种：2015年10月26日采自昆明市第五水质净化厂的脱水污泥，泥体呈黑褐色。其总固体(TotalSolid，TS)含量为17%、挥发性固体(VolatileSolid，VS)含量为43%，取好的污泥加入一定量的水室温密封保存，用前驯化。厌氧发酵实验装置：发酵装置为根据经典的排水集气法自制的1L简易装置，主要包括恒温水浴锅、棕色发酵瓶、导气管、集气瓶、集水瓶、止水夹、橡胶塞等，以保证厌氧环境。检测仪器：GT901型甲烷测定仪（深圳科尔诺电子科技有限公司）、DZKW-S-8型电热恒温水浴锅（北京市永光明医疗仪器有限公司）、SX2-2.5-10马弗炉（上海实研电炉有限公司）、ISO9001电子天平（北京赛多利斯天平有限公司）、JS-30A电子计数天平（成都普瑞逊电子有限公司）、DFT-100手提式高速中药粉碎机（温岭市林大机械有限公司）。1.2　高压脉冲电场装置及作用机理采用大连理工大学静电与特种电源研究所研制的低频高压脉冲发生器P100KV-S-RGS-II和RTC2050水处理信号电源系统（图1）。工作时，通过互相垂直的RSG1和RSG2这2个火花隙开关的交替导通与关断，实现脉冲电容的充电和向反应器的放电。在反应器（负载）上即可获得前沿陡峭的窄（短）脉冲高压。主要性能参数：输出电压，0～100kV可调；脉冲宽度，≤500ns；前沿上升时间，≤200ns；重复频率，0～200Hz可调。电穿孔理论[11-12,18-20]：细胞在HPEF作用下，细天然气工业·134·2017年7月胞膜上会出现小孔，其结果将导致细胞膜正常的选择性透过屏障，出现部分或完全被破坏，当外加电场强度(E)的大小达到一定值，则加在细胞膜上的诱导膜电位也达到了临界值，即临界膜电位，也叫细胞膜的跨膜电位(TMP)。此时，细胞膜上便开始出现微孔。1.2.1　高压脉冲电场处理杂交狼尾草影响高压脉冲电场的参数主要是电场强度（电压）、频率和作用时间。本实验采用单因素分析法，依次改变高压脉冲电场的3个因素