响应面法优化香蕉秸秆厌氧发酵产沼气工艺

李 桃，王纪坤，黄宇钊，冼 萍

(广西大学资源环境与材料学院，南宁 530004)

香蕉是我国重要的粮食作物，香蕉产业是热带地区农村的支柱产业[1]，但是，由于香蕉是一年生草本植物，收获香蕉的同时，会产生大量的秸秆副产物，因此，我国的香蕉秸秆资源相当丰富，是热带农业废弃资源的重要组成部分，然而它们主要被堆置于田间地头，任其腐烂，严重污染了农村蕉园生态环境，且造成了资源的浪费[2～4]。如何规模化利用香蕉秸秆资源是新农村香蕉产区建设的一项重要课题[2～4]。香蕉秸秆是一种优质的沼气发酵原料[5～7]，以香蕉秸秆为原料进行厌氧发酵产沼气，实现了香蕉秸秆的资源化利用，对农村能源产业的发展有一定的积极作用。

到目前为止，对香蕉秸秆厌氧发酵产沼气的研究较少，为实现沼气产量的最大化，提高发酵效率，需要对厌氧发酵条件进行优化，响应面分析法可以建立总产气量与影响因素之间的响应面模型，综合评价影响产气量的因素以及各因素间的交互作用，并通过回归分析实现对厌氧发酵过程的优化，该方法在优化秸秆厌氧发酵条件方面已经得到广泛应用[8～12]。

本研究选取起始pH、发酵温度、接种物浓度3个因素，采用单因素分析法确定因素水平的大致变化范围，再运用响应面分析法建立总产气量与影响因素之间的回归关系，优化香蕉秸秆厌氧发酵产沼气的工艺条件。

1 材料与方法

1.1 试验装置

如图1所示，厌氧发酵产气装置由恒温水浴锅、1 L广口发酵瓶、2.5 L集气瓶和2 L烧杯四部分组成，烧杯用于收集从集气瓶中排出的饱和食盐水，饱和食盐水可防止CO2等气体溶于水中，因此排出的饱和食盐水量即为产沼气量。发酵瓶与集气瓶瓶口用胶塞塞紧，各部分用乳胶管连接，所有接口部分均用密封胶密封，发酵瓶置于恒温水浴锅中以维持恒温。

1—取样口；2—导气管；3—取气口；4—导水管；5—恒温水浴锅图1 厌氧发酵试验装置结构示意图Fig.1 Schematic of anaerobic fermentation equipment

1.2 试验材料

香蕉秸秆取自广西南宁市武鸣区香蕉园，香蕉秸秆洗净后自然晒干，用铡刀切成1～2 cm的小段。接种物为试验室内驯化培养的不产气厌氧活性污泥。香蕉秸秆与接种物的理化指标见表1。

表1 香蕉秸秆与接种物的理化指标Tab.1 Physical and chemical characteristics of banana straw and inoculums

注：表中%是质量百分数。

1.3 试验方法

1.3.1 预处理

之前笔者研究了不同浓度NaOH预处理对香蕉秸秆厌氧发酵的产气效果的影响，结果显示，将秸秆、NaOH和水按1(干物质)∶0.06∶9配比，于室温(28±2 ℃)下预处理7天后进行厌氧发酵，其产气效果和应用前景最佳(结果另文发表[13])。因此，本研究所用香蕉秸秆直接采用上述方法进行预处理，预处理后的香蕉秸秆自然风干备用。

1.3.2 厌氧发酵条件的单因素试验

研究起始pH、发酵温度、接种物浓度3个因素对香蕉秸秆厌氧发酵总产气量的影响。接种物浓度按如下公式进行计算：

w=m1/(m1+m2+m3)

(1)

w：接种物浓度(%)；m1：接种物质量(g)；m2：香蕉秸秆质量(g)；m3：水的质量(g)。

将预处理后的香蕉秸秆进行厌氧发酵，每组试验设置两个重复，发酵料液总质量为800g，料液总固体质量百分数为6%～7%，将发酵装置置于恒温水浴锅中，发酵周期为30d，每日测定产气量。

1.3.3 发酵工艺条件优化试验

在单因素试验的基础上，为进一步优化发酵体系，本试验根据Box-Behnken的中心组合试验设计原理[10,12]，采用三因素三水平响应面分析法，以起始pH、发酵温度、接种物浓度为变量，以总产气量为响应值，一共进行17组沼气发酵试验，发酵物料总质量为800g，产气时间为30d，每组试验设三个平行，试验结果取平均值，试验因素和水平见表2。

表2 试验因素及水平Tab.2 Experimental factors and levels

1.4 测定项目

TS含量采用烘干恒重法测定；VS含量采用灼烧恒重法测定；TC、TN采用全自动元素分析仪测定；产气量采用排饱和食盐水法测定；pH通过便携式pH计(XB868)测定；纤维素、半纤维素、木质素含量采用VAN SOEST法测定[14]。

1.5 分析软件

响应面设计分析采用Design-Expert 8.0.6软件，试验结果的方差分析采用SPSS软件。

2 结果与讨论

2.1 厌氧发酵条件的单因素试验

2.1.1 起始pH对厌氧发酵总产气量的影响

根据厌氧发酵的适宜pH为6～8[15]，选取发酵起始pH为6、6.5、7、7.5、8进行发酵。由图2可知，产气结束时，总产气量的大小为pH=7.5>pH=8>pH=7>pH=6.5>pH=6，pH=7.5、pH=8的处理组总产气量远远高于pH=7、pH=6.5、pH=6的处理组，pH=8处理组的总产气量略低于pH=7.5处理组，pH=7.5处理组的总产气量最大。其原因可能是甲烷菌的最适pH为7～8，起始pH过低抑制了甲烷菌的生长繁殖，产酸阶段的挥发性脂肪酸(VFA)累积，导致体系出现了一定程度的酸化，产气量也较低[16]。方差分析结果表明，各处理组总产气量之间差异显著(P<0.01)，说明起始pH对厌氧发酵总产气量的影响较大。当起始pH为7.5时，其总产气量与其它起始pH下得到的总产气量之间有显著性差异(P<0.05)，故本试验中选取的香蕉秸秆厌氧发酵最佳起始pH为7.5。

图2 起始pH对厌氧发酵总产气量的影响Fig.2 Effect of initial pH value on total biogas production

2.1.2 发酵温度对厌氧发酵总产气量的影响

厌氧发酵中温菌群的适宜温度为30℃～40℃左右，在此温度区间内发酵效果较好[17]。在此温度条件范围内，选取四个发酵温度值：32℃、35℃、38℃、41℃，进行沼气厌氧发酵。由图3可知，发酵结束时，总产气量的大小为38℃>41℃>35℃>32℃，总产气量随着发酵温度的升高而逐渐升高，发酵温度为38℃时的总产气量略高于发酵温度为41℃时的总产气量。其原因可能是在一定范围内，厌氧菌活性随着温度的升高而增强，但温度过高反而会抑制厌氧菌的生长繁殖，导致产气量略微下降[16]。方差分析结果表明，发酵温度为38℃、41℃时，其总产气量与发酵温度为32℃、35℃的处理组之间差异显著(P<0.01)，但发酵温度为38℃、41℃处理组的总产气量之间无显著性差异(P>0.05)，故本试验中选取的香蕉秸秆厌氧发酵最佳温度为38℃。

图3 发酵温度对厌氧发酵总产气量的影响Fig.3 Effect of fermentation temperature on total biogas production

2.1.3 接种物浓度对厌氧发酵总产气量的影响

本研究选取接种物浓度分别为20%、35%、50%、65%、80%，在此条件下进行厌氧发酵产沼气。由图4可知，随着接种物浓度的升高，总产气量逐渐上升，当接种物浓度为65%时，总产气量最大，继续增加接种物浓度，沼气产量不增反降。理论上来说，物料一定时，接种物浓度越大，产气量越大，但接种物浓度过大时，甲烷菌之间的相互竞争造成了抑制[18]，因此65%处理组的总产气量略高于80%处理组。方差分析结果表明，接种物浓度为65%、80%时，其总产气量与接种物浓度为20%、35%、50%的处理组之间差异显著(P<0.01)，但接种物浓度为65%、80%处理组的总产气量之间无显著性差异(P>0.05)，故本实验中选取的香蕉秸秆厌氧发酵最佳接种物浓度为65%。

图4 接种物浓度对厌氧发酵总产气量的影响Fig.4 Effect of inoculum concentration on total biogas production

2.2 发酵工艺条件优化试验

2.2.1 响应面试验设计与结果

响应面试验设计方案及试验结果见表3。

表3 响应面试验方案及结果Tab.3 Experimental schemes and results of response surface designs

2.2.2 数学模型的建立及方差分析

以发酵起始pH为X1，发酵温度为X2，接种物浓度为X3，以总产气量Y为响应值，利用Design-Expert8.0.6软件对表3中的结果进行回归分析，得到的多元回归模型如下：

Y=17848.40+22.13X1+301.13X2+346.25X3

+71.75X1X2+79.00X1X3-62.50X2X3

(2)

由回归方程可知，系数的绝对值大小表明了该因素对总产气量影响的强弱[11]。由一次项系数可以看出，各因素对厌氧发酵总产气量的影响程度分别为X3>X2>X1(即接种物浓度>发酵温度>起始pH)。从交互项系数可以看出，交互效应影响情况为X1X3>X1X2>X2X3。使用数据处理软件对上述回归方程进行方差分析，如表4所示。

表4 回归模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression model

2.2.3 响应面交互作用分析与优化

在固定接种物浓度为65%的条件下，发酵温度、起始pH及其两者交互作用对香蕉秸秆厌氧发酵总产气量影响的响应面图和等高线图如图5所示。从图5(a)中可以看出，在设计范围内，发酵温度对总产气量的影响较显著，曲面较陡，随着发酵温度的升高，总产气量经过一个先升高后降低的过程。pH对厌氧发酵总产气量的影响不太显著，曲面较缓，随着起始pH的上升，总产气量先小幅升高后略微减小。其原因可能是起始pH在7～8的范围内，该范围较适于厌氧发酵的进行，对其发酵进程及产气效果的影响不大。由图5(b)可以看出，等高线呈椭圆形，说明两因素交互作用较显著[21]。在高发酵温度、高起始pH的条件下，总产气量较高。当发酵温度在38～40℃的范围内时，产气效果最好。

在发酵温度为38℃的条件下，接种物浓度、起始pH及其两者交互作用对香蕉秸秆厌氧发酵总产气量影响的响应面图和等高线图如图6所示。从图6(a)中可以看出，发酵总产气量在设计范围内随着接种物浓度和起始pH的增大而逐渐升高，到达一定程度后又逐渐下降。由图6(b)可知，等高线呈椭圆形，说明两因素交互作用较显著[21]。接种物浓度对厌氧发酵总产气量的影响较大，当接种物浓度在70%～74%的范围内时，总产气量达到最大。

图5 发酵温度和起始pH对厌氧发酵总产气量的影响Fig.5 Effect of fermentation temperature and initial PH value on total biogas production

图6 接种物浓度和起始pH对厌氧发酵总产气量的影响Fig.6 Effect of inoculum concentration and initial PH value on total biogas production

在pH为7.5的条件下，接种物浓度、发酵温度及其两者交互作用对香蕉秸秆厌氧发酵总产气量影响的响应面图和等高线图如图7所示。由图7(a)可知，响应曲面坡度较大，说明接种物浓度与发酵温度对总产气量的影响较大[11]。在设计范围内，随着接种物浓度与发酵温度的升高，总产气量先升高后下降。由图7(b)可知，在高接种物浓度、高发酵温度的条件下，厌氧发酵的总产气量较大。

图7 接种物浓度和发酵温度对厌氧发酵总产气量的影响Fig.7 Effect of inoculum concentration and fermentation temperature on total biogas production

2.2.4 最佳发酵条件的确定及验证试验

以总产气量为响应值，利用Design expert 8.0.6软件求解回归方程得到香蕉秸秆厌氧发酵的最佳工艺条件为：起始pH为7.87，发酵温度为39.45℃，接种物浓度为72.61%。在此条件下香蕉秸秆厌氧发酵总产气量的预测值为18 017.20mL。

为了方便起见，将发酵起始pH定为7.9，发酵温度定为39.5℃，接种物浓度定为72.6%。依据所确定的最佳条件，进行香蕉秸秆厌氧发酵产沼气的验证试验，共进行三组平行试验，其总产气量的平均值为17 816.40mL，预测值与试验值的相对偏差为1.11%，小于3%，且方差分析结果表明预测值与试验值之间无显著性差异(P>0.05)，说明该方法可以较好的预测香蕉秸秆厌氧发酵的总沼气产量，回归模型拟合较好，得到的厌氧发酵最佳工艺条件可靠性较高，具有一定的实用价值。

3 结 论

3.1 通过响应面法对香蕉秸秆厌氧发酵产沼气的工艺参数进行优化，建立了发酵起始pH、发酵温度、接种物浓度3个因素对总产气量影响的回归模型，模型具有高度的显著性(P<0.000 1)，相关系数R2=0.996 1，模型拟合度很高，实验误差较小，可以用此模型来分析和预测香蕉秸秆厌氧发酵的总产气量。

3.2 发酵温度、接种物浓度与总产气量呈显著相关性，起始pH对总产气量的影响不显著，其影响程度为接种物浓度>发酵温度>起始pH。

3.3 通过对回归模型的求解得到香蕉秸秆厌氧发酵产沼气的最优化条件为：起始pH为7.87，发酵温度为39.45℃，接种物浓度为72.61%，在此条件下香蕉秸秆厌氧发酵总产气量的预测值为18 017.20mL，试验值为17 816.40mL，二者相对偏差为1.11%。由于本研究在响应面优化试验中所选取的起始pH范围均适宜微生物生长，所以起始pH对总产气量的影响不太显著，在后续研究中有必要进一步考察低于7或高于8的条件下pH对总产气量的影响。

3.4 利用响应面分析法所得的模型能够很好地优化香蕉秸秆厌氧发酵条件并预测总产气量，得到的最优工艺参数较为可靠，具有一定的实用价值。