用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺方法

摘要

本发明公开了一种用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺方法，属于微生物制沼气技术领域。提供一种过程简单、操作方便、生产成本低廉的适宜广泛的推广应的利用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺方法。所述工艺方法包括以下步骤：a、制备发酵原料，收割新鲜紫茎泽兰去叶去根，制作成发酵原料；b、堆沤处理，将步骤a制备的发酵原料在厌氧环境下堆沤2至4天；c、发酵处理，提取步骤b堆沤处理合格的堆沤原料按320g/L～400g/L的料液比投入沼气池原液中，并在25℃～50℃的温度条件下发酵；d、收集产气量，待发酵时长达到规定的最短时间后，导出发酵后产生的沼气，这样便完成了紫茎泽兰不经脱毒发酵制取沼气的工艺过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工艺方法，尤其是涉及一种用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺方法，属于 微生物制沼气技术领域。

背景技术

紫茎泽兰属双子叶植物纲，俗称飞机草，破坏草等。在四川、云南、贵州、西藏、台湾 广泛发生。2010年凉山州紫茎泽兰分布面积共计81.20万hm2，该地区多风，多光照等自然 气候因素适合其扩散与繁殖，并以每年大约60km的速度，随西南风向东和向北扩散，被我国 环保总局列为首批入侵的16种外来物种黑名单之首。紫茎泽兰具有适应性、侵占性和抗逆性 强的特点，一旦入侵便会形成单种优势群落，对农林业与经济造成极大影响。

紫茎泽兰虽然具有很强的生态破坏性，但是其在我国分布面积较大，数量众多，具有光 合效率高，粗蛋白含量近20%且生物量大的特点。现今对紫茎泽兰的防治措施主要有人工与 机械防除，化学防除与生物防除。这些措施都不具有良好的外部性并且消耗大量的人力、物 力和财力。于是对紫茎泽兰进行有效的开发利用，变废为宝，也就具有重大意义了。

对紫茎泽兰的资源化利用，包括将其作为生产沼气或者是生产饲料的原料已经具有一定 的理论成果，公知的对紫茎泽兰的处理方法主要有：

丁宣学等人于1991年利用紫茎泽兰制得“杂草刨花板”；夏洪应等以紫茎泽兰为原料， 碳酸钾为活化剂，采用超声波浸渍，微波辐射法制备活性炭；利用紫茎泽兰作染料以及香精 原料；将其作为野生肥料资源、栽培食用菌以及作为发酵动物饲料，发酵沼气的原料等。

其中利用紫茎泽兰进行发酵的专利成果主要有：

曹建华等在申请号为201210311492.7的专利中公开的“利用紫茎泽兰制备生物有机肥的 方法”，该方法是以紫茎泽兰为主要原料的生物有机肥制备方法，通过将其粉碎、高温微生物 菌种混合、好氧发酵、维持混合物料堆体的温度、混合物料干燥的步骤生产肥料产品。

钱益新在申请号为201010104277.0的专利中公开的“紫茎泽兰工业化生产草粉及草颗粒 饲料工艺”，该方法是用乙醇提取其毒素9-羰基-10,11去氢泽兰酮，将其降至安全、无毒、 无害水平，制备牧草粗饲料产品。

欧阳华在申请号为02113759.5的专利中公开的“紫茎泽兰饲料的制备方法”，该方法采 用微生物发酵脱毒和中药解毒的综合处理措施，将紫茎泽兰有毒成分降至安全无害水平并将 其作为原料制备家禽饲料产品。

另外，江蕴华等采用传代实验方法的研究表明按照常规发酵，紫茎泽兰会引起发酵微生 物群慢性中毒，最后完全失去产气能力。预处理后，能使沼气发酵正常进行。FangYin等利 用预处理脱毒后的紫茎泽兰生产生物能源甲烷，结果表明紫茎泽兰可成为较好的沼气原料， 在30℃条件下天然气率为180(m3·t-1 TS)。

紫茎泽兰虽然是一种理想的饲料原料，但它自身却含有的单宁、香豆素等有毒有害物质， 在农村沼气实际应用当中，脱毒工艺却成为发酵沼气的实际应用于推广上的技术瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种过程简单、操作方便、生产成本低廉的适宜广 泛的推广应的利用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺方法，包括 以下步骤，

a、制备发酵原料，收割新鲜紫茎泽兰去叶去根，制作成发酵原料；

b、堆沤处理，将步骤a制备的发酵原料在厌氧环境下堆沤2至4天；

c、发酵处理，提取步骤b堆沤处理合格的堆沤原料按320g/L～400g/L的料液比投入沼 气池原液中，并在25℃～50℃的温度条件下发酵；

d、收集产气量，待发酵时长达到规定的最短时间后，导出发酵后产生的沼气，这样便完 成了紫茎泽兰不经脱毒发酵制取沼气的工艺过程。

进一步的是，步骤a中收割的新鲜紫茎泽兰经去叶去根后，还要进行脱水晾晒并碎化成 长度远小于1cm的粉料，然后再进行步骤b的厌氧堆沤处理。

进一步的是，步骤b中，在对所述的发酵原料进行堆沤处理时，堆沤处理的时长为3天。

进一步的是，步骤c中，在将所述的堆沤原料按320g/L～400g/L的料液比投入沼气池原 液中的同时，还向所述的沼气池原液中按3：10的体积比加入接种物原浆。

上述方案的优选方式是，所述的接种物原浆为沼气池驯化底泥。

进一步的是，步骤c的发酵温度为30℃～35℃。

进一步的是，步骤b的厌氧环境为沼气池。

本发明的有益效果是：采用本发明提供的工艺方法，由于在进行堆沤、发酵处理前，经 过第一步发酵原料的制备过程，即可通过去叶去根工序去除掉含有大部分9-羰基-10,11去氢 泽兰酮毒素的叶片和根，而留下含所述9-羰基-10,11去氢泽兰酮毒素极少，又占整株植物干 重较多的茎，通常一株紫茎泽兰的茎包含有的干物占整株植物干重的60%～70%。这样，在进 行后序的堆沤、发酵处理过程时，既不需要经过繁锁、复杂的脱毒处理过程，又可以保证残 留在由紫茎泽兰茎构成的发酵原料内的9-羰基-10,11去氢泽兰酮毒素数量极少，进而保证后 序的堆沤、发酵处理过程不会因为原料中含有大量的9-羰基-10,11去氢泽兰酮毒素而影响传 代发酵过程，更不会使传代发酵过程中的微生物群产生慢性中毒现象而使发酵过程停止，从 而不仅简化了利用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺过程，而且使采用紫茎泽兰不经过脱毒处理 直接发酵生产沼气成为了可能。同时，本申请公开的工艺方法在进行所述的堆沤处理工序时 仅需通过2至4天的厌氧堆沤，进行所述的发酵处理工序时仅需在25℃～50℃的温度条件下 按320g/L～400g/L的料液在沼气池原液中进行发酵即可。从而，不仅使本申请提供的工艺方 法适宜在日照充足、年均环境温度较高的，如四川的攀西、云南、贵州、西藏、台湾等地区 广泛的推广应用，而且由于发酵原料的制备过程省去了繁锁、复杂的脱毒工序，还可以使整 个工艺过程变得十分简单、操作十分方便、生产成本十分低廉。而发酵原液使用沼气池原液， 正好贴合了广大农村的生产生活实际，进一步的使本发明的工艺方法适宜在所述地区推广应 用。

附图说明

图1为三种不同物料状态下传代日产气变化比较图；

图2为三种不同物料状态下传代产气量与产甲烷率比较图；

图3为原料在不同温度下产气量与产甲烷比较图；

图4为在不同温度下对原料TS、VS利用情况图。

具体实施方式

为了解决现有技术中，利用紫茎泽兰发酵制取沼气时必须先经过成本高、过程繁锁、复 杂的脱毒处理的技术问题，本发明提供的一种过程简单、操作方便、生产成本低廉的适宜广 泛的推广应的利用紫茎泽兰发酵制取沼气的工艺方法。所述工艺方法包括以下步骤，

a、制备发酵原料，收割新鲜紫茎泽兰去叶去根，制作成发酵原料；

b、堆沤处理，将步骤a制备的发酵原料在厌氧环境下堆沤2至4天；

c、发酵处理，提取步骤b堆沤处理合格的堆沤原料按320g/L～400g/L的料液比投入沼 气池原液中，并在25℃～50℃的温度条件下发酵；

d、收集产气量，待发酵时长达到规定的最短时间后，导出发酵后产生的沼气，这样便完 成了紫茎泽兰不经脱毒发酵制取沼气的工艺过程。

采用上述的工艺方法，由于在进行堆沤、发酵处理前，经过第一步发酵原料的制备过程， 即可通过去叶去根工序去除掉含有大部分9-羰基-10,11去氢泽兰酮毒素的叶片和根，而留下 含所述9-羰基-10,11去氢泽兰酮毒素极少，又占整株植物干重较多的茎，通常一株紫茎泽兰 的茎包含有的干物占整株植物干重的60%～70%。这样，在进行后序的堆沤、发酵处理过程时， 既不需要经过繁锁、复杂的脱毒处理过程，又可以保证残留在由紫茎泽兰茎构成的发酵原料 内的9-羰基-10,11去氢泽兰酮毒素数量极少，进而保证后序的堆沤、发酵处理过程不会因为 原料中含有大量的9-羰基-10,11去氢泽兰酮毒素而影响传代发酵过程，更不会使传代发酵过 程中的微生物群产生慢性中毒现象而使发酵过程停止，从而不仅简化了利用紫茎泽兰发酵制 取沼气的工艺过程，而且使采用紫茎泽兰不经过脱毒处理直接发酵生产沼气成为了可能。同 时，本申请公开的工艺方法在进行所述的堆沤处理工序时仅需通过2至4天的厌氧堆沤，进 行所述的发酵处理工序时仅需在25℃～50℃的温度条件下按320g/L～400g/L的料液在沼气 池原液中进行发酵即可。从而，不仅使本申请提供的工艺方法适宜在日照充足、年均环境温 度较高的，如四川的攀西、云南、贵州、西藏、台湾等地区广泛的推广应用，而且由于发酵 原料的制备过程省去了繁锁、复杂的脱毒工序，还可以使整个工艺过程变得十分简单、操作 十分方便、生产成本十分低廉。而发酵原液使用沼气池原液，正好贴合了广大农村的生产生 活实际，进一步的使本发明的工艺方法适宜在所述地区推广应用。

采用上述工艺方的依据如下，在查阅了紫茎泽兰的毒性物质在紫茎泽兰体内分布的相关 资料后，发现从紫茎泽兰中分离得到的9-羰基-10,11去氢泽兰酮对牲畜有剧毒，也极有可能 是导致发酵制取沼气时传代发酵系统中毒的物质所在。再对紫茎泽兰样品进行9-羰基-10,11 去氢泽兰酮毒素分布位置分析，分析结果如表1，所述的9-羰基-1011去氢泽兰酮毒素主要 分根在紫茎泽兰的叶中，而根、径、花和种子中分布极少。

表1:紫茎泽兰样品中9-羰基-10,11去氢泽兰酮的含量

表中ND表示:为未检出(No detection)。

上述实施方式中，在制备所述的发酵原料时，新鲜紫茎泽兰去叶去根后，最简单的方法 是直接用于后序的堆沤和发酵，也可以是经过脱水晾晒并碎化成长度不低于1cm的粗颗料后 再进行步b的厌氧堆沤处理，还可以是经过脱水晾晒并碎化成长度远小于1cm的粉料后再进 行步b的厌氧堆沤处理。附图1为三种不同物料状态下传代日产气变化比较、附图2为三种 不同物料状态下传代产气量与产甲烷率比较。

在附图1和附图2中，A组的发酵原料为紫茎泽兰除去根部与叶并除去杂质后，不经晾 晒直接切成1-2cm小段从该图来看；B组的发酵原料为紫茎泽兰除去根部与叶并除去杂质， 经过脱水晾晒并碎化成长度不低于1cm的粗颗料；C组的发酵原料为紫茎泽兰除去根部与叶 并除去杂质，经过脱水晾晒并碎化成长度远小于1cm的粉料。

从三组即三种不同物料状态下传代发酵的日产气变化曲线如图1与三组传代发酵产气量 与产甲烷如图2效果来看，三组原料的产气周期与产气能力、产甲烷能力都有差异。其中， 产气的稳定程度与产甲烷量是发酵系统是否受毒性影响与发酵效果的直接表现指标：B组净 产气量虽为最佳，但是平均产甲烷率为40%左右，利用性不强；C组平均产甲烷率高于60%且 产气情况相对更加稳定。由图1、2可得，相对最佳的原料处理方式为晾晒后并尽量碎化原料。

上述实施方式中，为了能在获得最佳的产甲烷量的同时，既能最大限度的简化工艺过程， 方便操作，降低生产成本，又能适宜广大农村生产环境，并最大限度的缩短堆沤、发酵时间， 步骤b中，在对所述的发酵原料进行堆沤处理时，堆沤处理的时长为3天；步骤c中，在将 所述的堆沤原料按320g/L～400g/L的料液比投入沼气池原液中的同时，还向所述的沼气池原 液中按3：10的体积比例加入接种物原浆；而所述的接种物原浆沼气池驯化底泥；步骤c的 发酵温度为30℃～35℃；步骤b的厌氧环境为沼气池。

以C组原料为实验组，对发酵温度的筛选与结果；按照上述的预处理方式与传代试验中 的配比方式，将实验分为6组，分别在25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃恒温条件下对 发酵温度进行筛选。原料在不同温度下产气量与产甲烷比较如图3，在不同温度下对原料TS、 VS利用情况如图4。

产甲烷率是反应发酵效果的直接指标，通过不同温度下产气量与产甲烷率如图3可以看 出，产气量总体随温度上升而增加，而产甲烷率在30℃时最佳；另一方面如图4，TS利用率 与产气率基本上与温度成正比，VS利用率与产甲烷率也是30℃时最佳，随着温度上升反而呈 下降趋势。可见，30℃是沼气发酵系统最佳温度。

在考虑理论上的发酵参数配置的同时，紫茎泽兰的茎秆生物量大，方便应用；与农村厌 氧沼气发酵系统相结合的基础上，考虑加入池外堆沤的步骤，客观上有利于对原料发酵前进 行水解，提高其利用效率，并且攀西地区日照充足，能够达到30℃的发酵温度。