香蕉皮干发酵实验研究

第二届全国研究生生物质能研讨会 2007．12．12．14中国广州 香蕉皮干发酵实验研究 朱海春张无敌‘尹芳许玲徐锐 (云南师范大学省农村能源工程重点实验室，昆明650092) 摘 要：以香蕉皮为发酵原料，在发酵料液浓度为19．88％的条件下，研究了25℃和35"C对香蕉皮 千发酵产气的影响。结果明，35"C试验组较25"C试验组显现出了明显的优势，可减少发酵时间10 天左右。两试验组发酵的产气品质一直较好，ll天后沼气中甲烷含量维持在65％左右。 关键词：香蕉皮；温度；干发酵 ExperimentalStudyonDryFermentationwithBananaPeel ZhuHaichun,ZhangWudi，Y'mFang，XuLing，XuRui (ProvincialKeyLabofRuralEnergyEngineering,YunnanNormalUniversity,Kunming650092，PR． China) Abstract：ExperimentontheEffectoftemperatureof25"Cand35℃onbiogasyieldandpropertyduring dryfermentationprocessofbananapeelwascardedoutundertheconsistencyof19．88％．Resultsshowed that35"Ccouldsho毗nHRT10dayscomparedwith25"C．Theconcentrationsofmethanewerekeptat 65％afterfermentationtimeof11days． Keywords：Bananapeel；Temperature；Dryfermentation 引言 香蕉是著名的热带和温暖亚热带水果，属芭蕉科植物。据FAO统计，2004年，世界香蕉种植面 积达至0445万hm2，总产量7134万t。甚至在一些国家和地区，香蕉对粮食有巨大的替代作用。在香蕉 加工过程中集中剩余了大量的香蕉皮，而厂家对香蕉皮的利用率极低。据报道，在香蕉皮中含有比 较丰富的无机元素和微量元素。而在所有的营养成份当中，总糖的含量是最高的，约为4．5％，尤其 是纤维素，平均含量在3．5％以上；香蕉皮中的粗蛋白(平均含量为0．72％)和粗脂肪(平均含量为0．89脚 的含量也比较丰富【I】。将香蕉皮进行厌氧发酵产生沼气，将香蕉皮的能源以沼气的方式回收，为处 理香蕉皮提供了一条可行的途径。已有研究表明香蕉皮和茎秆厌氧发酵产沼气具有良好的效果B洲。 而相对于低固体厌氧消化，干发酵优点很明显。一方面，提高了池容产气率和池容效率：另一方面， 消化后的产品脱水程序简化，简化了处理操作，降低了成本。本研究以香蕉皮为原料，在自制小型厌 氧发酵装置上，研究了香蕉皮厌氧干发酵的情况，以期为香蕉皮厌氧发酵工程化、产业化以及发酵 残留物开发有机肥提供理论参考。 l材料与 1．1材料 发酵原料为成熟香蕉的皮，购于昆明市水果店；接种物为本室用香蕉皮富集驯化的活性污泥。 1．2设备与仪器 试验装置：本试验采用排水集气法收集发酵产生的沼气。每套装置由lL发酵瓶、500ml集气瓶、 500ml贮水瓶组成。每组设3个平行。 试验仪器：恒温干燥箱、马弗炉、天平、PHS一3C型酸度计和QFl90奥氏气体分析仪等。 1．3试验方法 原料预处理：清除原料表面的杂物、污物Ⅲ，将原料用榨汁机粉碎【卯。 试验设计：试验采用常温下批量发酵工艺，测出原料和接种物的TS后，按浓度20％配料。向各 国家自然科学基金项目(50366002)和云南省中青年学术和技术带头人后备人才培养(2005py01·16)联合资助 朱海春(1982-),女。山东济宁人，硕士研究生。从事生物质能与环境工程研究方向 ’通讯联系人：张无敌0965-),男，研究员，硕士导师。从事生物质能研究与教学工作，Email：woQti@,ynnu．edu．cn． 5lO 第二届全国研究生生物质能研讨会 2007．12．12．14中国广州 发酵瓶中加,h．1209香蕉皮．接种物380mi。 试验测定及测定方法：TS、VS测定采用常规分析法【6】；发酵温度是利用恒温控制仪将温度分 别控制为25和35℃；pH值采用酸度计测定；甲烷含量是用奥氏气体分析仪测量【61． 2结果分析 2．1不同温度对发酵过程中产气量的影响 在其他发酵条件相同的情况下，发酵温度分别为25℃和35℃时各试验组的日产气量见图l。由 图1可以明显看出，35℃的发酵周期比25℃的发酵周期缩短了10天左右。在发酵的前3天，两试 验组均表现为产气量很大且呈逐渐下降趋势。产生的气体中约有60％左右的为C02，故无法点燃。从 第4天起两试验组发酵J隋况就明显不同了。25℃试验组从第4天起日产气量继续下降直到第14天， 第6天产生的气体可以点燃。从第15天至第3l天25℃试验组出现了一个产气高峰。其间产气峰值 为763ml，出现在发酵的第2l天。发酵的第31天厌氧发酵基本结束。在发酵的前25天总产气量达到 了总气量的80％。而35℃试验组从第4天起日产气量平稳，第5天日产气量上升，第5天产生的气 体可以点燃。从第5天至第2l天35℃试验组出现了一个产气高峰。其间产气峰值为1350ml，出现在 发酵的第7天。发酵的第21天厌氧发酵基本结束。在发酵的前15天总产气量达到了总气量的80％。 在发酵初期各试验组产气量均呈下降趋势。这主要是因为在原料香蕉皮的营养成份当中，总糖的含 量是很高的【l】，而糖分极易被沼气发酵微生物利用。沼气发酵微生物在发酵初期消耗大量的糖，随 着原料中糖分的减少，气体量也逐渐减少。另一方面，在发酵的初期为水解产酸阶段，有机酸不断 积累，使得发酵系统pH值下降影响了沼气微生物的正常代谢：发酵产生的某些物质(主要是VFA) 也会抑制沼气微生物的代谢活动，所以日产气量不断下降。而其后日产气量回升主要是由于发酵系 统具有自我调节能力，而产酸阶段后由于产甲烷菌的代谢活动消耗了有机酸，使系统pH值逐渐恢 复正常，也产生了大量的沼气，沼气中甲烷含量也逐渐上升。随着原料的消耗，各试验组日产气量 也逐渐减少直至原料消耗完发酵也就结束了。 图1不同温度条件下香蕉皮厌氧干发酵日产气量 2．2不同接种物对发酵过程中沼气成分的影响 沼气是一种混合气体，其成分与发酵原料的种类、相对含量、发酵条件、发酵阶段有关。在稳 定的发酵阶段，沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，另外还有一些一氧化碳、硫化氢等。本试验主 要比较了不同温度条件下沼气中甲烷含量的变化。在发酵前11天产气中甲烷含量见表1。由表l可 以看出各试验组产气中甲烷含量是逐步上升的，35℃试验组上升较25℃试验组快。从第11天后各 试验组产气中甲烷含量很稳定，维持在65％左右。 表l发酵前II天沼气中甲烷含量(％) 2．3发酵前与发酵后料液变化 在发酵启动和结束时分别测定了两试验组发酵料液的TS、VS和pH。结果见表2。 表2发酵前后料液TS、VS和pH测定结果 项目分组TS 垄V壁S煎pH TS一--垄V壁S厘一—pH—· 25℃试验组 19．88％ 79．43％ 7．63 15．33％ 67．74％ 8．15 35℃试验组 19．88％ 79．43％ 7．63 14．90％ 65．90％8．28 5ll 第二届全国研究生生物质能研讨会 2007．12．12．14中国广州 由表l可以看出，25"C试验组料液的TS，VS在发酵前后分别降低22．9％和14．7％；35"C试验组 料液的TS，VS在发酵前后分别降低25．1％和17．O％。这说明原料在发酵过程中被降解生成沼气。pH 值在发酵前后保持在7．5_-8．5左右，是沼气微生物代谢适宜的水平，从而保证正常产气。 2．4不同温度条件下香蕉皮厌氧发酵产沼气潜力 根据两试验组发酵前后料液的变化和产气量分别计算了两试验组产沼气潜力，见表2。 表3香蕉皮厌氧发酵产沼气潜力 由表l和表2可知，在发酵料液浓度为19．88％时，25"C试验组Ts产气潜力约为603．0mVg， VS产气率为507．7m垤，池容产气率为0．74ml／(ml·d)。即It干重的香蕉皮可产沼气847．5m3。35"C 试验组料液TS产气潜力为600．7ml／g，VS产气率为501．1ml／g，池容产气率为0．81ml／(ml·d)。即 lt干重的香蕉皮可产沼气886．0m3。 3结论 通过对不同温度条件下香蕉皮干发酵过程中各指标的测定，得出以下结论。 1) 35℃的发酵温度对比25"C在香蕉皮的干发酵上显现出了明显的优势，可以将发酵周期缩 短10天左右．在总产气量上差别不大。 2)两试验组发酵的产气品质一直较好，ll天后沼气中甲烷含量维持在68％左右。 3) 对比低浓度发酵，香蕉皮用于干发酵可以有效的提高池容产气率12]。 4) 发酵结束后，残留物的TS在15％左右，pH在8．15至8．28。参照NY525--2002与GB 18877--2002要加工为有机肥还需要进一步的处理17,81。对于其他指标是否符合还在进 一步测定中。 参考文献 【I】 李仁茂，陈蓉，萧志成．粤西地区四种香蕉皮的成份分析阴，湛江师范学院学报，2001。22(6)： 42-45 【2】 朱海春，刘士清，尹芳等．香蕉皮沼气发酵的实验研究【J】，农业与技术，2007，27(4)：74-79 【3】 欧忠庆，张劲，邓干然等．香蕉茎秆渣制作沼气试验阴，中国热带农业，2006，5：35 【4】 伊晓路，孙立，郭东彦等．生物质秸秆预处理技术【J】，可再生能源，2005，(2)：31-33 【5】 Sharma,S．K．，Mishra,LM．，Sharma,M．Peta1．，Effectofparticlesizeonbiogasgenerationfrom biomassresidues，Biomass，1988，17：25l—263 【6】 吉分平，工业分析【M】．北京：化学工业出版社，1998 【7】 NY525---2002【s】 【8】 GB18877-—2002 512