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摘要以紫花苜蓿为发酵原料，在恒温30 ℃条件下进行批量式沼气发酵试验。结果表明，6%发酵浓度的紫花苜蓿发酵历时34 d，发酵体系出现酸化时，在微生物自动调节下，pH能够很快恢复，产气未受到任何影响。当提高紫花苜蓿的发酵总固体含量到8%，发酵体系表现出相同的规律。紫花苜蓿的产气潜力为936 ml/g TS，1 094 ml/g VS。
关键词紫花苜蓿；沼气发酵；pH；发酵浓度；产气潜力
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04394-03
Study on Potential of Biogas Fermentation with Medicago sativa
ZHANG Lijuan， ZHANG Wudi et al （Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500）
Abstract The biogas production yield was studied by using Medicago sativa as raw material. The fermentation was conducted batch by batch at constant temperature 30 ℃. The results indicated the total fermentation time was 34 d when the fermentation concentration was 6%. Fermentation liquid became acidic but could be restored to normal quickly with the reaction of adjustment in the anaerobic microbe. The biogas yield of Medicago sativa didn’t be in the influence of pH value. When the fermentation concentration was 8%， the law of fermentation was the same as the above results. So in can be obtained that the biogas yield of Medicago sativa was 936 ml/g TS and 1 094 ml/g VS.
Key words Medicago sativa； Biogas fermentation； pH； Fermentation concentration； Biogas potential
在世界苜蓿生产大国中占第5位[1]。紫花苜蓿作为品质优、产量高、适口性好的牧草饲料为全球畜牧业做出重大贡献，并且长期种植苜蓿有改良土壤的作用，因此紫花苜蓿在我国生态建设中也有重要作用[2]。随着生物技术的快速发展，人们对紫花苜蓿的传统利用从优质牧草扩展到很多方面，其中以苜蓿作为生物反应器来生产疫苗、工业酶制剂和工业可降解塑料以及一些重要的药用蛋白等研究已经取得了很大进展[3]。另外，对紫花苜蓿的生物活性成分及其功能也有一些研究，发现其富含优质膳食纤维、食用蛋白、多种维生素（包括维生素B、维生素C、维生素E）、10种有益的矿物质以及皂苷、黄酮类、类胡萝卜素、酚醛酸等生物活性成分，因此可以作为功能食品及医药等[4]。
目前对紫花苜蓿的产气潜力研究尚未见報道。为此，笔者以紫花苜蓿为原料，探究其产气潜力，为实现紫花苜蓿资源化利用、提高其能源转化效率提供理论依据。
1材料与方法
1.1材料发酵原料为紫花苜蓿，采自丽江市永胜县火龙果种植基地，经测定其TS（总固体）含量为23.17%，VS（挥发性固体）含量为85.61%。接种物为取自实验室以猪粪为原料富集的接种物，经测定TS含量为16.59%，VS含量为67.15%。
1.2试验装置采用实验室自制的500 ml的批量式发酵装置，装置示意图如图1所示。
注：1.温控仪；2.交流接触器；3.水槽；4.电热管；5.热电偶；6.循环水泵；7.发酵瓶；8.玻璃三通；9.集气瓶；10.计量瓶。
图1沼气发酵试验装置1.3方法
1.3.1原料预处理。将紫花苜蓿清理后切碎成长度小于2 cm的小段，以便其与接种物充分混合均匀。
1.3.2试验设计与料液配比。试验分别设置试验组和对照组，每组分别设3个平行。为保证试验的一致性，进行单瓶配料。料液配比如下：6%试验组120 ml接种物，18 g紫花苜蓿，加水补足至400 ml；8%试验组120 ml接种物，52 g紫花苜蓿，加水补足至400 ml；对照组120 ml接种物，加水补足至400 ml。采用自动控温装置恒温30 ℃下厌氧发酵，每天定时记录产气量及火焰颜色。
1.3.3测试项目及方法。
1.3.3.1产气量。采用排水集气法测定，每天定时记录各组的产气量，以各组3个平行的平均产气量作为各组的表征产气量。同时采用火焰颜色比色卡法[5]，根据火焰颜色和气相色谱仪（GC6890A）确定气体中的甲烷含量。
1.3.3.2TS与VS。TS与VS采用常规分析法[6-7]，测定原料接种物，以及发酵前后料液的TS、VS。TS在（105±5）℃的电热恒温干燥箱（202型）中烘干至恒重，利用TS计算公式[7]，求出TS；VS在（550±20）℃箱形电阻炉（SX22.512型）中灼烧至恒重，利用VS计算公式[7]，求出VS。
1.3.3.3pH。采用pH 6.4～8.0的精密pH试纸。 2结果与分析
2.1产气情况每天记录紫花苜蓿的产气量并测定甲烷含量，得出产气量、甲烷含量与发酵时间的规律，结果如图2所示。
由图2可知，对于6%TS发酵浓度试验组，整个沼气发酵过程历时34 d，日平均产气量为114 ml，共出现3个产气高峰，最高产气量为460 ml，最高甲烷含量达72.7%，发酵过程符合沼气发酵的一般规律，产气量逐渐上升，达到最高峰后再逐渐减少，直到发酵结束。紫花苜蓿发酵启动较快，在第2天产气量就达到第一个高峰，但是点燃火焰颜色为淡蓝色，经测定甲烷含量为49.5%。在发酵体系水解性细菌的作用下，体系在第9天出现酸化，pH为5.5，产气减少，但是体系酸化期较短，到第11天产气恢复，pH为6.5，直到沼气发酵结束，体系的pH一直维持在沼气发酵正常范围内，未再一次出现酸化，说明紫花苜蓿是较好的沼气发酵原料。为进一步确定紫花苜蓿发酵过程中pH的变化，同时进行了8%发酵浓度的发酵。由图2产气曲线可知，8%发酵浓度下发酵表现出与6%发酵浓度一致的规律，只是酸化期延长，随着pH恢复，产气又逐渐恢复正常，最高产气达480 ml，发酵体系稳定，发酵时间超过6%发酵浓度下的发酵，在确定发酵料液浓度时要考虑原料的总固体含量及使用量。
图2产气量、甲烷含量随发酵时间的变化曲线2.2产气速率对整个试验过程中累积产气量随发酵时间的变化规律进行统计，结果见表1。
3结论
（1）以紫花苜蓿为发酵原料，30 ℃下进行批量式沼气发酵试验，6%发酵浓度的试验组产气潜力为936 ml/g TS，1 094 ml/g VS。整个发酵过程中发酵体系第9天出现酸化，不需要外源物质的调节，发酵体系能够很快恢复，并一直保持在正常的pH范围。进行8%发酵浓度的试验组发现同样规律，但是酸化期延长，pH对紫花苜蓿沼气发酵的影响很小。利用紫花苜蓿为发酵原料是可行的，避免了体系出现酸化问题，为紫花苜蓿后续利用提供了理论依据，能源利用率更高。
（2）紫花苜蓿与其他的植物性原料的产气潜力比较，在组成成分相似的条件下，紫花苜蓿具有发酵时间短、TS产气潜力高的特点，若将紫花苜蓿用于实际的沼气工程中，HRT较短，发酵罐体积小，可以较小的投资成本获得更高的能源转化率，而沼气发酵后的残留物可作为优质能有机肥用于还田，实现紫花苜蓿的综合利用。
参考文献
[1] 罗志成.北方旱地农业研究的进展与思考[J].干旱地区农业研究，1994，12（1）：4-13.
[2] 张国盛，黄高宝，张仁陟，等.种植苜蓿对黄绵土表土理化性质的影响[J].草业学报，2003，12（5）：88-93.
[3] 韩利芳，张玉发.紫花苜蓿作为生物反应器的研究现状及应用前景[J].草业学报，2004，13（2）：23-27.
[4] 卢成，曾昭海，張涛， 等.紫花苜蓿生物活性成分研究进展[J].草业科学，2005，22（9）：28-31.
[5] 江蕴华，余晓华.利用火焰颜色判断沼气中甲烷含量[J].中国沼气，1983，1（3）：28.
[6] 中国科学院成都生物研究所.沼气发酵常规分析[M].北京：科学技术出版社，1984：19.
[7] 张无敌，宋洪川，尹芳，等.沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2003：101-102.
[8] 张啸，杨斌，马煜，等.香蕉杆厌氧发酵产沼气的实验研究[J].云南师范大学学报：自然科学版，2011，31（S1）：119-221.
[9] 查国君，张无敌，尹芳，等.菠萝皮厌氧发酵产沼气的实验研究[J].能源工程，2007（1）：41-43.
[10] 邱凌，王晓曼，邱玉桥，等.不同草坪草废料厌氧发酵试验研究[J].中国沼气，2009，27（5）：15-17.
[11] 杨红，尹芳，张无敌，等.玫瑰秸秆产沼气潜力的试验研究[J].湖北农业科学，2013，52（17）：4086-4089.
[12] 杨红，马煜，张无敌，等. 康乃馨秸秆发酵产沼气潜力的试验研究[J].云南师范大学学报：自然科学版，2011，31（S1）：81-84.
[13] 孙树贵，任广鑫，翟宁宁，等.中温下3种落叶厌氧发酵产气量研究[J].安徽农业科学，2010，38（19）：10164-10166.
[14] 郭德芳，李秋敏，刘丽春，等. 不同温度下芦荟皮厌氧发酵产沼气的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：6-11.
[15] 李永波，郭德芳，张建鸿，等. 西番莲果皮发酵产沼气潜力的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：12-16.
[16] 张建鸿，杨红，郭德芳，等.不同温度下滇池蓝藻沼气发酵的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：17-21.
[17] 阮越强，刘丽春，郭德芳，等. 菠萝蜜废弃物沼气发酵的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：22-25.
[18] 杨斌，李彦，张无敌，等. 废弃烟叶厌氧消化的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2012，32（3）：28-32.
[19] 马煜，张无敌，尹芳，等.小桐子种子产沼气潜力及其能源转换效率的研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2011（3）：20-24.
关键词紫花苜蓿；沼气发酵；pH；发酵浓度；产气潜力
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04394-03
Study on Potential of Biogas Fermentation with Medicago sativa
ZHANG Lijuan， ZHANG Wudi et al （Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan 650500）
Abstract The biogas production yield was studied by using Medicago sativa as raw material. The fermentation was conducted batch by batch at constant temperature 30 ℃. The results indicated the total fermentation time was 34 d when the fermentation concentration was 6%. Fermentation liquid became acidic but could be restored to normal quickly with the reaction of adjustment in the anaerobic microbe. The biogas yield of Medicago sativa didn’t be in the influence of pH value. When the fermentation concentration was 8%， the law of fermentation was the same as the above results. So in can be obtained that the biogas yield of Medicago sativa was 936 ml/g TS and 1 094 ml/g VS.
Key words Medicago sativa； Biogas fermentation； pH； Fermentation concentration； Biogas potential
在世界苜蓿生产大国中占第5位[1]。紫花苜蓿作为品质优、产量高、适口性好的牧草饲料为全球畜牧业做出重大贡献，并且长期种植苜蓿有改良土壤的作用，因此紫花苜蓿在我国生态建设中也有重要作用[2]。随着生物技术的快速发展，人们对紫花苜蓿的传统利用从优质牧草扩展到很多方面，其中以苜蓿作为生物反应器来生产疫苗、工业酶制剂和工业可降解塑料以及一些重要的药用蛋白等研究已经取得了很大进展[3]。另外，对紫花苜蓿的生物活性成分及其功能也有一些研究，发现其富含优质膳食纤维、食用蛋白、多种维生素（包括维生素B、维生素C、维生素E）、10种有益的矿物质以及皂苷、黄酮类、类胡萝卜素、酚醛酸等生物活性成分，因此可以作为功能食品及医药等[4]。
目前对紫花苜蓿的产气潜力研究尚未见報道。为此，笔者以紫花苜蓿为原料，探究其产气潜力，为实现紫花苜蓿资源化利用、提高其能源转化效率提供理论依据。
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1.1材料发酵原料为紫花苜蓿，采自丽江市永胜县火龙果种植基地，经测定其TS（总固体）含量为23.17%，VS（挥发性固体）含量为85.61%。接种物为取自实验室以猪粪为原料富集的接种物，经测定TS含量为16.59%，VS含量为67.15%。
1.2试验装置采用实验室自制的500 ml的批量式发酵装置，装置示意图如图1所示。
注：1.温控仪；2.交流接触器；3.水槽；4.电热管；5.热电偶；6.循环水泵；7.发酵瓶；8.玻璃三通；9.集气瓶；10.计量瓶。
图1沼气发酵试验装置1.3方法
1.3.1原料预处理。将紫花苜蓿清理后切碎成长度小于2 cm的小段，以便其与接种物充分混合均匀。
1.3.2试验设计与料液配比。试验分别设置试验组和对照组，每组分别设3个平行。为保证试验的一致性，进行单瓶配料。料液配比如下：6%试验组120 ml接种物，18 g紫花苜蓿，加水补足至400 ml；8%试验组120 ml接种物，52 g紫花苜蓿，加水补足至400 ml；对照组120 ml接种物，加水补足至400 ml。采用自动控温装置恒温30 ℃下厌氧发酵，每天定时记录产气量及火焰颜色。
1.3.3测试项目及方法。
1.3.3.1产气量。采用排水集气法测定，每天定时记录各组的产气量，以各组3个平行的平均产气量作为各组的表征产气量。同时采用火焰颜色比色卡法[5]，根据火焰颜色和气相色谱仪（GC6890A）确定气体中的甲烷含量。
1.3.3.2TS与VS。TS与VS采用常规分析法[6-7]，测定原料接种物，以及发酵前后料液的TS、VS。TS在（105±5）℃的电热恒温干燥箱（202型）中烘干至恒重，利用TS计算公式[7]，求出TS；VS在（550±20）℃箱形电阻炉（SX22.512型）中灼烧至恒重，利用VS计算公式[7]，求出VS。
1.3.3.3pH。采用pH 6.4～8.0的精密pH试纸。 2结果与分析
2.1产气情况每天记录紫花苜蓿的产气量并测定甲烷含量，得出产气量、甲烷含量与发酵时间的规律，结果如图2所示。
由图2可知，对于6%TS发酵浓度试验组，整个沼气发酵过程历时34 d，日平均产气量为114 ml，共出现3个产气高峰，最高产气量为460 ml，最高甲烷含量达72.7%，发酵过程符合沼气发酵的一般规律，产气量逐渐上升，达到最高峰后再逐渐减少，直到发酵结束。紫花苜蓿发酵启动较快，在第2天产气量就达到第一个高峰，但是点燃火焰颜色为淡蓝色，经测定甲烷含量为49.5%。在发酵体系水解性细菌的作用下，体系在第9天出现酸化，pH为5.5，产气减少，但是体系酸化期较短，到第11天产气恢复，pH为6.5，直到沼气发酵结束，体系的pH一直维持在沼气发酵正常范围内，未再一次出现酸化，说明紫花苜蓿是较好的沼气发酵原料。为进一步确定紫花苜蓿发酵过程中pH的变化，同时进行了8%发酵浓度的发酵。由图2产气曲线可知，8%发酵浓度下发酵表现出与6%发酵浓度一致的规律，只是酸化期延长，随着pH恢复，产气又逐渐恢复正常，最高产气达480 ml，发酵体系稳定，发酵时间超过6%发酵浓度下的发酵，在确定发酵料液浓度时要考虑原料的总固体含量及使用量。
图2产气量、甲烷含量随发酵时间的变化曲线2.2产气速率对整个试验过程中累积产气量随发酵时间的变化规律进行统计，结果见表1。
3结论
（1）以紫花苜蓿为发酵原料，30 ℃下进行批量式沼气发酵试验，6%发酵浓度的试验组产气潜力为936 ml/g TS，1 094 ml/g VS。整个发酵过程中发酵体系第9天出现酸化，不需要外源物质的调节，发酵体系能够很快恢复，并一直保持在正常的pH范围。进行8%发酵浓度的试验组发现同样规律，但是酸化期延长，pH对紫花苜蓿沼气发酵的影响很小。利用紫花苜蓿为发酵原料是可行的，避免了体系出现酸化问题，为紫花苜蓿后续利用提供了理论依据，能源利用率更高。
（2）紫花苜蓿与其他的植物性原料的产气潜力比较，在组成成分相似的条件下，紫花苜蓿具有发酵时间短、TS产气潜力高的特点，若将紫花苜蓿用于实际的沼气工程中，HRT较短，发酵罐体积小，可以较小的投资成本获得更高的能源转化率，而沼气发酵后的残留物可作为优质能有机肥用于还田，实现紫花苜蓿的综合利用。
参考文献
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[7] 张无敌，宋洪川，尹芳，等.沼气发酵与综合利用[M].昆明：云南科技出版社，2003：101-102.
[8] 张啸，杨斌，马煜，等.香蕉杆厌氧发酵产沼气的实验研究[J].云南师范大学学报：自然科学版，2011，31（S1）：119-221.
[9] 查国君，张无敌，尹芳，等.菠萝皮厌氧发酵产沼气的实验研究[J].能源工程，2007（1）：41-43.
[10] 邱凌，王晓曼，邱玉桥，等.不同草坪草废料厌氧发酵试验研究[J].中国沼气，2009，27（5）：15-17.
[11] 杨红，尹芳，张无敌，等.玫瑰秸秆产沼气潜力的试验研究[J].湖北农业科学，2013，52（17）：4086-4089.
[12] 杨红，马煜，张无敌，等. 康乃馨秸秆发酵产沼气潜力的试验研究[J].云南师范大学学报：自然科学版，2011，31（S1）：81-84.
[13] 孙树贵，任广鑫，翟宁宁，等.中温下3种落叶厌氧发酵产气量研究[J].安徽农业科学，2010，38（19）：10164-10166.
[14] 郭德芳，李秋敏，刘丽春，等. 不同温度下芦荟皮厌氧发酵产沼气的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：6-11.
[15] 李永波，郭德芳，张建鸿，等. 西番莲果皮发酵产沼气潜力的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：12-16.
[16] 张建鸿，杨红，郭德芳，等.不同温度下滇池蓝藻沼气发酵的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：17-21.
[17] 阮越强，刘丽春，郭德芳，等. 菠萝蜜废弃物沼气发酵的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2013，33（3）：22-25.
[18] 杨斌，李彦，张无敌，等. 废弃烟叶厌氧消化的实验研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2012，32（3）：28-32.
[19] 马煜，张无敌，尹芳，等.小桐子种子产沼气潜力及其能源转换效率的研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2011（3）：20-24.