高温发酵在线计

干式厌氧发酵是近年来发展非常迅速的一项新技术，在畜禽粪便处理、秸杆制气、餐厨垃圾处理等方面有很好的应用前景。具有原料预处理要求低、沼液产量少、能源少、管理方便等优点。 一、干式厌氧发酵 专门针对含固率大于15%成分比较复杂的有机废弃物的厌氧消化处理技术。 二、工艺类型 连续式工艺主要用于含固率15%~25%之间，比较粘稠的有机废弃物的处理；间歇式工艺主要用于含固率在25%以上，且物料粒径分布范围较大，通透性较好的有机废弃物的处理。 三、国内外干式厌氧发酵工艺 有机废弃物干式厌氧发酵技术最早起源于欧洲，目前比较成熟的工艺有比利时的Dranco，法国的Valorga，瑞士的Kompogas和德国的LARAN，而国内关于干式厌氧发酵的研究起步较晚，目前绝大部分工艺还处在实验研究阶段。 1.欧洲干式发酵工艺概况 从20实际40年代起，欧洲一些发达国家就开始尝试研究和使用干式厌氧消化技术，到20世纪80年代，干式厌氧消化技术在德国、荷兰、瑞士和比利时等欧洲国家开始市场化应用。 1）间歇式干式发酵处理工艺与连续干发酵工艺相比，间歇式干发酵工艺发展相对稍晚一些，从90年代初开始商业化应用。主要有德国的Bioferm、BEKON及Wehrlewerk公司的Bioferm，BEKON以及Biopercolat干发酵工艺等。Bioferm工艺 主要应用于含水率低于75%的有机固体废弃物的处理，属于单级车库式中温厌氧消化工艺。该工艺的主要特点是原料投加到反应器内再不需要搅拌或翻掀，也不需要增加额外的补充水，且原料在进入反应器内后不需要做任何预处理。BEKON工艺 BEKON工艺与Bioferm工艺基本上完全相同，也是车库式间歇干式发酵工艺。唯一不同的是BEKON工艺具有高温和中温两种，而Bioferm只有中温。GICON工艺 GICON工艺属于间歇式处理工艺，与上述BEKON与Bioferm间歇式厌氧干发酵工艺相比，主要不同点是GICON工艺是根据微生物的分解步骤将厌氧消化过程分成两个阶段来实现——水解阶段（干式发酵）和产甲烷阶段（湿式发酵）。 2）连续干式发酵处理工艺 从20世纪40年代起，欧洲一些发达国家就开始尝试研究和使用干式厌氧消化技术，到20世纪80年代，干式厌氧消化技术在德国、荷兰、瑞士和比利时等欧洲国家开始市场化应用。其中最具代表性的连续干发酵系统工艺为：比利时OWS公司的Dranco干发酵工艺、法国VALORGA INTERNATIONAL S.A.S 公司的Valorga干发酵工艺、瑞典的KOMPOGAS公司的KOMPOGAS BRV等。Dranco工艺 该工艺属于竖式推流发酵工艺，属于单级中温/高温干式（高固体）厌氧消化工艺。Dranco工艺又分为Dranco和Dranco-Farm，Dranco主要用于餐厨垃圾、城市固体废弃物的有机部分等，而Dranco-Farm主要用于能量作物和工业有机废弃物的处理。Valorga工艺 该工艺属于竖式气体搅拌干发酵工艺，主要应用于有机固体废弃物和城市生活垃圾处理方面，有高温和中温两种形式。是第一个用于对生活垃圾经机械分选后剩余有机部分处理方面的发酵工艺。Kompogas BRV工艺 Kompogas BRV工艺属于卧式推流发酵工艺，主要应用于有机固体废弃物和城市生活垃圾处理方面，属于单级高温干式（高固体）厌氧消化技术。Laran工艺 主要应用于含水率15~45%的有机固体废弃物的处理，属于单级干式卧式推流厌氧消化工艺，有高温和中温两种形式。该工艺与Kompoga相似，主要不同的搅拌方式，Laran工艺采用的是分段搅拌方式，比Kompogas工艺设备多且比较分散。 2.国内干式发酵工艺概况我国对厌氧消化技术的研究相对滞后，尤其是干发酵技术，目前国内致力于干发酵技术的研究和推广应用还比较有限。主要有以下几种工艺模式： 1）覆膜槽沼气干式发酵系统该工艺建设若干个发酵槽，间歇使用，实现好氧升温-厌氧产气-好氧制肥三段同槽发酵工艺，其中厌氧利用柔性膜密封，好氧升温及制肥时将柔性膜取下。 2）干式发酵反应器（立式/卧式两种） 该设备适用于各种有机废弃物和能源作物厌氧发酵工程。 3）多元废弃物车库式干式发酵工艺没有或者几乎没有自由流动水的沼气厌氧微生物发酵过程，是处理有机同体生物质的有效方法，耗水量比湿法发酵大大降低，无沼液消纳问题，适用于各种有机废弃物和能源作物厌氧发酵工程。 行业专家表示干发酵目前在国外是热点和趋势，“相对于我们传统的湿发酵来说，干发酵技术具有三大优点：原料适应性较广；容积产出率较高；整个发沼过程当中没有沼液外排，避免二次污染。”除农业秸秆、畜禽粪便以外，干发酵还可以针对有机垃圾、餐厨垃圾，以及其它农产品废弃物进行处理发酵。 厌氧发酵是沼气工程的基础，而厌氧发酵是一个复杂的过程，预处理、接种比例、总固体浓度、原料、温度和外源添加物等因素都会对厌氧发酵的产气率造成影响。因此，除了要根据发酵原料选择适宜的厌氧发酵工艺及系统结构，选择适宜的沼气成分监测设备，如沼气分析仪Gasboard-3200系列，通过对产出沼气中CH4、H2S、O2、CO2气体浓度的检测，判断发酵工艺状况，并对工艺过程进行适度调控，以降低各因素对产气率造成的负面影响，提高发酵系统的沼气发酵效果也是十分必要的。沼气分析仪（在线型）Gasboard-3200 我国现今能源短缺，发展低碳经济、循环经济已成为世界性潮流。厌氧干式发酵技术在各种固体有机废弃物资源化利用上具有一定的技术优势，由于我国对该技术的研发起步较晚，仍有巨大的研究空间，尤其是在干发酵接种量大、启动慢及易积累有机酸等方面，以求进一步提高干发酵系统的沼气发酵效果。来源：微信公众号@沼气工程及其测控技术，转载/修改转载请务必注明来源！

沼气是利用粪便、农作物秸秆等有机物在厌氧的条件下，经过微生物生理代谢产生主要成分为CH4和CO2，还有少量的H2、H2S、CO等可燃性气体，属生物质能源。开展沼气发酵的研究有着重大的意义和作用，本文就沼气发酵的影响因素进行了探讨。1.温度 沼气发酵可分为三个温度范围：50～65℃称高温发酵，20～45℃称中温发酵，20℃以下称低温发酵。此外，随自然温度变化的发酵方式称常温发酵。 沼气发酵受到温度和温度波动的影响。在同一温度类型条件下，由于沼气发酵微生物的代谢活动随着温度的上升而增加，在一定的温度范围内，温度越高，发酵产气速率越快；短时间内若温度波动幅度过大时，可能导致停止产气。 很多研究者对此进行了大量的研究，Harremoes等通过分析实验结果，得出了以下结论：中温厌氧消化的最佳温度为30～40℃。当温度在15℃以上时，厌氧发酵才能很好地进行。温度在10℃以下，无论产酸菌还是产甲烷菌都都受到严重抑制；温度在10℃以上，产酸菌首先开始活动，总挥发酸的产量直线上升；温度在15℃以上时，产甲烷菌的代谢活动才活跃起来，产气率明显提高，挥发酸含量迅速下降，在气温下降时必须考虑保温。2.酸碱度（PH值） 通常沼气池中的产甲烷细菌适宜的PH值范围为6.5～7.8，PH值的变化会直接影响产甲烷菌的生存和代谢。一般情况下，沼气池的PH值应维持在6.8～7.5之间，最好在7.2左右。 pH值在5.5以下，产甲烷菌的活动完全受到抑制，而pH值上升至8甚至8.5时，仍保持一定的产气率。产酸菌的pH值范围为4.0～7.0，在超过甲烷菌的最佳pH值范围，酸性发酵可能超过甲烷发酵，造成反应器内“酸化”现象的发生。 影响pH值变化的因素主要有以下几点：一是发酵原料的pH值；二是在厌氧发酵启动时，投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量不足，以及在消化器运行阶段突然升高负荷，都会因产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累，导致pH值下降，这往往是造成厌氧发酵启动失败或终止的主要原因。 在厌氧发酵过程，如果pH值过高，可适当投入石灰水、Na2CO3溶液加以中和，也可靠停止进料产酸作用下降、产甲烷作用相对增强，使积累于发酵液内的有机酸逐渐分解，pH值则逐渐恢复正常。 如果pH值降至6.0以下，则应在调整pH值的同时，大量投入接种污泥，以加快pH值恢复。为防止沼气发酵酸化作用的发生，应加强对pH值的检测，如果所产气体中CO2比例突然升高或发酵中挥发酸含量突然上升，都是pH值要下降的预兆，这是应采取措施减少进料，降低消化器负荷，即可避免酸化现象，如果等到pH值下降后，再进行补救则难的多。 厌氧消化器3.氧气含量 沼气发酵启动和投料时带入的一部分氧气对沼气发酵危害不大，不会破坏沼气发酵的正常进行。这是因为沼气池中存在一部分好氧菌和兼性菌，带入的氧气很快会被不产甲烷细菌中的好氧菌或兼性菌消耗掉，使池内保持厌氧环境，同时这一部分氧气也使好氧菌、兼性菌与厌氧菌保持着动态的平衡关系，但为了保持好的厌氧环境，发酵过程中必须不漏气。4.沼气发酵原料的碳氮比 发酵原料的碳氮比（C/N），是指原料中有机碳含量和氮含量的比例关系。沼气发酵微生物需要的一定的碳、氮、磷等营养物质，才能正常生长和进行生命活动。碳元素为微生物生命活动提供能量，是形成甲烷的重要物质；氮元素也是构成微生物细胞的主要元素。这三种营养元素之间的比例，不论是好氧发酵还是沼气发酵，氮与磷的比例是确定值，为5：1。碳与氮的比值则范围较宽，以往的实践认为发酵原料的C/N以（13～30：1）为宜，大于30：1效果不佳，小于13：1还可正常发酵。但是，实际上以人粪便为主要原料（C/N=3.9：1）的沼气池也能很好的运行。所以，正常的沼气发酵要求合适的碳氮比，但不严格，要重视沼气池的启动和培养好相适应的菌种，提高沼气发酵细菌的适应能力。 在沼气发酵过程中，细菌不断将有机碳素转化为CH4和CO2，产生的沼气放出，同时将一部分碳素和氮素合成细胞物质，多余的氮素物质则被分解以NH4HCO3的形式溶于发酵液中。经过这样一轮的分解，C/N值下降一次，生成的细胞物质死亡后又被用作原料。要想消化器内的C/N值适宜，进料的C/N值则可更高些。因为厌氧细菌生长缓慢，同时死亡的老细胞又可作为氮素的来源，所以污泥在消化器内滞留期越长，对投入氮素的需求越少。5.沼气发酵接种物 沼气发酵细菌的多少和质量的高低直接影响沼气发酵、产气速率和沼气的质量。沼气发酵能否快速启动与高质量和大量的接种物有关。 如果沼气发酵启动时的接种物不够，可能会出现启动缓慢，经过很长时间，产气速率仍然较低的情况；接种物质量较差，产甲烷细菌数量较少，活性较低，此时水解性细菌和产氢产酸细菌很快繁殖，而产甲烷细菌繁殖较慢，导致不产甲烷作用较快，产甲烷与不产甲烷过程的平衡失调，就可能造成有机酸的缓慢积累，发酵液pH值下降，沼气池酸化，出现产气慢和沼气中甲烷含量低且质量差的情况。 近年来，随着监测技术朝着智能化和网络化的方向发展，物联网技术的应用不仅有效地推进了沼气工程监测信息化的进程，同时也为厌氧发酵的研究，沼气工程的高效运行提供了技术支撑。 沼气工程运行管理智能监控 沼气工程监测系统在预处理单元采集水量、温度和物料TS浓度等参数；在厌氧发酵单元采集温度、压力，PH值和物料TS浓度等参数并安装过载报警装置；在沼气输配气单元采集沼气成分、流量、贮气容积和压力等参数并安装沼气泄漏和过载报警装置；在污水处理单元安装COD，BOD，总P和总N等环保指标监测装置；在沼肥生产单元安装N,P,K和微量元素检测仪器；在沼气站采集现场温度、湿度和风速等环境条件。 系统将上述参数转化成数据信号，通过双绞线或无线路由节点传输至DTU(数据传输单元)，DTU将串口数据转换为IP数据，再通过GPRS网络或者3G网络将IP数据传输到后台服务器，管理人员通过电脑或LED大屏在线监控、调取数据、统计分析等。 沼气工程物联网在提高沼气工程管控水平和生产效率上具有显而易见的积极作用。沼气工程物联网对沼气工程生产全程进行在线监测，通过数据库和专家咨询系统可及时发现并解决设备问题，排除运行故障，通过智能化管控系统，实现进出料、输配气、沼肥生产和污水处理等环节自动化控制，能提高产气量、提升沼肥生产质量和污水处理效果，实现沼气工程管理科学化、控制自动化、运行智能化，节约劳动成本，降低能耗，提高沼气工程生产效率。来源：微信公众号@沼气工程及其测控技术，转载请务必注明出处。

我国拥有世界最大的发酵产业，生产了全球大部分的氨基酸、有机酸、抗生素和维他命等。近年来，我国的发酵产业也延伸到工业产品，包括能源、化工产品以及材料等。　　由于发酵产业对能源、粮食和水的消耗巨大，该产业未来的发展方向应该向着原料到产品的高转化率、节能及节水的方向发展。对不同的产品，也应该设立不同的节能减排目标。　　对于我国发酵产业的定位，除了应继续巩固发酵产品最大生产国地位之外，更应该向高端方向发展，实现部分代替石油，生产大宗材料、能源、化工产品等。　　尽管，这个过程可能是漫长甚至是充满风险的。　　合成生物学助力　　我国发展发酵产业应该扩展到利用农业生物质，如纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等为原料，生产材料、能源、化工产品等，逐渐减少对石油的依赖。　　要想发展生物发酵这一战略性新兴产业，就不得不在技术上作好储备。　　目前，我国的发酵产业在硬件方面已经达到很高的水平，因此，解决节能减排的工作重点应该放在菌种的改良上。　　合成生物学提出的方法，则是对现有生产菌种根本性的改造，包括代谢通路的重构、基因组的改造和全细胞的改造。　　总的来说，发展发酵产业的目的就是要构建一个逐渐可以与化工过程相竞争的工业生物产业。　　提高菌种效率是关键　　如上所述，发酵产业需解决的关键科学问题是菌种的效率等。例如如何使微生物细胞更快地生长、如何实现跨种属染色体在一个细胞内共存、如何解除微生物总体调控等。(详见图表)　　可以说，上述菌种的改造工作，事实上也是合成生物学正在研究的题目。其中，复合功能微生物的构建是重要方向。希望因此获得一个能快速生长、能进行多种基因整合、抗染菌、允许多个染色体在细胞中共存，从而获得多种性能，能生产多种产品的微生物制造平台菌株。　　现阶段，菌种改造的工作更为急迫。近期和中期菌种改造研究的重要应用领域包括改造控制生长速度的微生物基因组，使微生物细胞更快地生长 限制细胞群体效应，使发酵能达到更高的密度等。　　菌种改造研究的应用领域主要包括：　　改造控制生长速度的微生物基因组，使微生物细胞更快地生长，利用快速生长的微生物菌株生产大宗化工产品，提高生物过程相对于化工过程的竞争性。　　限制细胞群体效应，使发酵能达到更高的密度，提高生物产品单位时间和单位体积的生产效率。　　实现跨种属染色体在一个细胞共存，使细胞具有多种功能(特别是利用纤维素快速生长获得目标产物)。　　开发(发明)一种普适的构建最小基因组微生物底盘的技术，在此基础上整合获得功能性代谢路径，用于可控制造各种生物化工产品 　　大片段基因的获得和在染色体里的整合和表达技术的开发，解决复杂化合物的微生物发酵生产问题。　　获得能使多个染色体在一个细胞中共存的机制，实现复合功能微生物的构建，特别是利用纤维素快速生长获得目标产物的复合功能微生物菌株。　　实现低成本染色体的化学合成，可以低成本地合成优化的生物或化学产物合成途径来进行表达生产。　　解除微生物总体调控的机制，最大程度地获得目标产物，如材料和能源等。　　开发制动删除内显子的DNA删除技术，获得新的、快速生长的真核微生物。　　总之，提高菌种的效率是提高我国发酵产业的关键。　　开拓先进发酵工艺技术　　此外，发酵工业具有高耗能、高耗水和不连续、易染菌的缺点，也导致发酵产业成本的增加，减少了其竞争性。　　未来发酵产业应该向着无高温灭菌、低耗水和连续发酵方向发展，以最终达到节能减排的目的。　　最近，我国在嗜盐发酵生产生物塑料聚羟基脂肪酸酯(PHA)方面，已经实现了至少两周的开放发酵，使PHA 成为有竞争性产业的步伐又向前迈进了一步。　　未来，可以利用海水为介质、发掘嗜盐菌在高 pH值、高温和高盐浓度条件下的特点，建立一个能进行无高温灭菌、低耗水(利用海水)和连续发酵的、有竞争性的发酵产业。