熊 霞， 施國中， 李淑蘭， 孔垂雪

( 1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041; 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041)

項目來源： 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(CAAS-ASTIP)

啤酒糟產(chǎn)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(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041; 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041)

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

啤酒糟； 厭氧發(fā)酵； 產(chǎn)氣潛力

啤酒糟俗稱麥糟、麥芽糟，是由麥芽和不發(fā)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(zhì)、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(chǎn)量的四分之一[1-2]。隨著我國啤酒年產(chǎn)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(chǎn)l kL啤酒產(chǎn)生0.25 t的濕啤酒糟計，僅2015年我國啤酒糟的產(chǎn)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(yán)重的環(huán)境污染，同時還導(dǎo)致了資源的巨大浪費[3-5]?，F(xiàn)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(fā)酵產(chǎn)沼氣，既可解決環(huán)境污染的問題，還能實現(xiàn)啤酒糟的生物質(zhì)資源化利用。

在自然界中，沼氣發(fā)酵原料十分豐富，幾乎所有有機物都能作為沼氣發(fā)酵原料。一般認(rèn)為，除礦物油和木質(zhì)素外都能被微生物利用，發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)物，理論上可以作為厭氧發(fā)酵原料，產(chǎn)生沼氣。沼氣發(fā)酵是一系列微生物生命活動的結(jié)果，需要多種發(fā)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(rèn)為C /N 在(20～30)∶1時，比較適合沼氣發(fā)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(fā)酵原料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

發(fā)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(fā)酵活性污泥。經(jīng)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(fā)酵瓶、控溫裝置和集氣裝置3部分組成。發(fā)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(dǎo)管和玻璃導(dǎo)管將發(fā)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(fā)酵瓶； 3.橡膠管； 4.取氣裝置； 5.集氣瓶圖2 厭氧發(fā)酵裝置圖

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計

試驗采用中溫35℃±1℃ 序批式發(fā)酵工藝進行厭氧發(fā)酵試驗。試驗分別設(shè)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(fā)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(fā)酵物。攪拌均勻后，在相同的環(huán)境下，進行為期60 d厭氧發(fā)酵試驗。

1.3.2 測試項目

(1)產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。

(3)VS(揮發(fā)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(fā)性物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[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(biāo)卡尺進行測量，取平均數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)氣量分析

啤酒糟厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量( 實驗組日產(chǎn)氣量減去對照組日產(chǎn)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(fā)酵實驗，歷時60天，日平均產(chǎn)氣量為85.2 mL，累計產(chǎn)氣量為5112.2 mL。

總體上來看，發(fā)酵過程符合沼氣發(fā)酵的一般規(guī)律，產(chǎn)氣量先是逐漸上升，達到最高峰后再逐漸減少，直到發(fā)酵結(jié)束。從日產(chǎn)氣量曲線看，整個發(fā)酵過程共出現(xiàn)2個產(chǎn)氣高峰，可能是由啤酒糟的組成成分特性引起的。隨著發(fā)酵的進行，啤酒糟厭氧發(fā)酵日產(chǎn)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(zhì)和淀粉等易分解物質(zhì)被厭氧微生物優(yōu)先轉(zhuǎn)化為沼氣; 隨后啤酒糟發(fā)酵日產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)部分降解;隨之產(chǎn)氣量又逐漸減少，到第43天日產(chǎn)氣量減少至52 mL；最后從第44～60天，日產(chǎn)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(fā)酵日產(chǎn)氣量

2.2 產(chǎn)氣速率分析

對試驗中的累積產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2可以看出，在整個發(fā)酵過程中，前10 d產(chǎn)氣較慢，僅占總產(chǎn)氣量的16.94%；發(fā)酵11～15 d，共產(chǎn)氣1002 mL，占總產(chǎn)氣量的19.60%；發(fā)酵16～20 d，共產(chǎn)氣1071 mL，占總產(chǎn)氣量的20.95%；發(fā)酵21～25 d，共產(chǎn)氣677.5 mL，占總產(chǎn)氣量的13.25%；發(fā)酵25～30 d，共產(chǎn)氣388.5 mL，占總產(chǎn)氣量的7.60%；發(fā)酵30～60 d，共產(chǎn)氣1107 mL，占總產(chǎn)氣量的21.65%。從以上規(guī)律可知，啤酒糟厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣周期主要集中在11～25 d，而最快產(chǎn)氣階段主要集中在16～20 d。以上分析表明，在發(fā)酵后16～20 d，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)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(chǎn)生大量甲烷、二氧化碳等氣體。

表2 累計產(chǎn)氣量

2.3 甲烷含量分析

圖4是啤酒糟厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵的初始階段含量都很低，這主要是由于在初始階段產(chǎn)甲烷菌的活性不高，主要是以產(chǎn)酸菌的活動為主，因此出現(xiàn)甲烷含量較低的現(xiàn)象；在厭氧發(fā)酵第5天左右，沼氣中甲烷的含量已經(jīng)達到較高水平，此時主要是由于產(chǎn)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(chǎn)繁殖及產(chǎn)生甲烷；厭氧發(fā)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(yīng)的進行，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖趨于穩(wěn)定平衡；在厭氧反應(yīng)的后期，沼氣中的甲烷含量有下降的趨勢，發(fā)酵原料大部分已經(jīng)被利用，產(chǎn)酸菌生長繁殖速率下降，這是由于產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可能滿足不了產(chǎn)甲烷菌的需求。

圖4 啤酒糟厭氧發(fā)酵甲烷含量

2.4 產(chǎn)氣潛力分析

通過啤酒糟的TS含量，VS含量，發(fā)酵瓶有效容積和總產(chǎn)氣量可以計算出原料的TS 和VS 產(chǎn)氣率、原料產(chǎn)氣率及池容產(chǎn)氣率，結(jié)果見表3。

表3 啤酒糟6%TS發(fā)酵濃度的產(chǎn)氣潛力指標(biāo)

3 結(jié)論

通過以30%污泥為接種物，啤酒糟為發(fā)酵原料，設(shè)定發(fā)酵TS濃度為6%，嚴(yán)格控制發(fā)酵溫度(35℃±1℃)，將實驗組與空白組發(fā)酵60 d 產(chǎn)氣效果進行了分析，得出以下結(jié)論:

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

(2) 以啤酒糟為發(fā)酵原料，產(chǎn)氣啟動較快，發(fā)酵25 d，共產(chǎn)氣3616.7 mL，占總產(chǎn)氣量的70.75%。由此可知，啤酒糟的主要產(chǎn)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(jù)工程設(shè)計要求和利益最大化原則，將水力停留時間設(shè)計為25 d。

此次研究僅對啤酒糟的產(chǎn)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(shù)進行進一步的優(yōu)化研究。

[1] 王家林,王 煜.啤酒糟的綜合應(yīng)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(fā)酵特性的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,49(5):662-665.

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

[4] 郭萌萌,趙建德,杜金華.啤酒糟在國內(nèi)外食品加工中的利用現(xiàn)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(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2015(3): 63-64.

[6] 徐曾符.沼氣工藝學(xué)[M].北京: 農(nóng)業(yè)出版社，1981: 68．

[7] 國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)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(nóng)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