技术领域本发明涉及一种以狼尾草为原料高效制备沼气的方法，具体涉及以狼尾草为原料，利用高压脉冲电场新技术辅助提高狼尾草沼气发酵产量的新方法，属于生物发酵领域。
背景技术：
随着能源和环境问题的日益突出，沼气(厌氧消化)技术作为一种处理废弃物并能回收利用能源的环境工程技术，在世界各国受到广泛关注，当前，制作沼气的原料主要包括能源植物(植物秸秆)、畜禽粪便、工业有机废水、城镇生活污水和污水处理后的污泥等。有关学者认为能源植物与畜禽粪便混合发酵更能保证系统稳定。目前，利用农业秸秆废弃物厌氧发酵生产沼气的技术日渐成熟，但仅用农业秸秆作为能源植物发酵产气受到自身资源的限制，因此能源植物的种类须不断进行扩充和补充。狼尾草为暖季型多年生禾本科牧草，属于C4植物，为一种优质牧草，其产量高、生长周期长、适应性广，目前在我国广泛种植，同时，狼尾草属牧草属牧草可以代替稻草作为C源进行厌氧发酵制取沼气。因此，研究狼尾草属牧草开展能源利用具有广阔的发展前景。在申请号为201110243816.3的专利申请中记载了一种杂交狼尾草的种植方法及利用其作为原料联合生产沼气的方法，对狼尾草进行杂交种植，并利用杂交狼尾草生产沼气，使杂交狼尾草的亩产生物量达到较高的水平。然而，由于狼尾草在作为沼气发酵C源的实际使用中存在一些普遍的问题，表现为狼尾草发酵原料得不到充分的利用而被浪费，实际沼气转换率(原料利用率)很低。特别是狼尾草中含有木质纤维素，往往使原料的消化率很低，并且原料容易漂浮在液面上，不容易被微生物利用，造成产气量低甚至不产汽。高压脉冲电场非热处理技术因处理时间短、能耗低、无污染等诸多特点成为食品工业领域的技术研究热点之一，其主要应用于食品工业领域的微生物的杀灭，高压脉冲电场不仅能用于灭菌保鲜，而且还能适当改善某些食品的风味品质，然而利用高压脉冲电场技术对发酵物进行处理未见相关报道。因此，以高压脉冲电场新技术为突破点，提高狼尾草作为沼气池发酵原料的利用率及沼气产生率是非常必要的。
技术实现要素：
为了克服现有动物模型的不足，针对上述问题，本发明提供了一种以狼尾草为原料高效制备沼气的方法，将高压脉冲电场新技术引入到狼尾草沼气发酵的工艺中，对狼尾草发酵材料进行破壁处理，并对狼尾草发酵工艺进行优化，有效提高了狼尾草发酵的利用率及沼气产生率。为了达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种以狼尾草为原料高效制备沼气的方法，以狼尾草为原料，利用高压脉冲电场新技术辅助提高狼尾草沼气发酵产量的新方法，具体的制备步骤为：1)原料制备收集狼尾草作为发酵原料进行备料，并将狼尾草粉碎成1-3cm的小段；2)高压脉冲电场预处理将步骤1)中得到的粉碎后的狼尾草放入高压脉冲电场进行处理；3)菌种驯化以重量份数为1:100:200的比例加入经过高压脉冲电场预处理的狼尾草、污泥和温水搅拌混匀后分瓶装于发酵瓶中，在35℃恒温水浴锅中培养驯化一周，测得总菌种中总固体浓度为8％；挥发性固体值浓度为45％，得到驯化污泥；4)发酵处理将第2)步骤中得到的狼尾草与第3)步骤中得到的驯化污泥配制为发酵料液在35±1℃恒温水浴锅中进行厌氧发酵；5)收集沼气将发酵装置密闭,经过1～2天产生沼气,在35℃环境下厌氧发酵33天，排水法收集沼气。作为优选，进一步，在第1)步原料制备中，选取生长周期为8-9周的狼尾草进行备料。作为优选，进一步，在第2)步高压脉冲电场预处理中，在高压脉冲电场的电压为15～40kv，频率为90～120Hz的条件下对狼尾草处理30～90Min。作为优选，进一步，在第2)步高压脉冲电场预处理中，作为优选，高压脉冲电场选用的电压为15kv，频率为150Hz，对狼尾草的处理时间为60Min。作为优选，进一步，在第3)步菌种驯化中，所加入的污泥为脱水污泥，泥体呈黑褐色，其总固体浓度为8％；挥发性固体值浓度为45％。作为优选，进一步，第4)步发酵处理中，所配置的发酵料液的总固体浓度为5％，接种率为23％，初始pH值为7。作为优选，进一步，第4)步发酵处理中，第2)步骤中配制为发酵料液时得到的狼尾草与第3)步骤中得到的驯化污泥的配置比例为1:100。本发明的有益效果：1、本发明利用狼尾草代替传统稻草、秸秆废弃物类原料作为发酵原料生产沼气，充分实现了狼尾草的资源化利用，有效扩充了能源植物的种类；2、本发明将高压脉冲电场新技术引入到狼尾草沼气发酵的工艺中，通过对电场中处理参数的创造性选择，实现对狼尾草发酵材料的破壁处理，有效破坏了狼尾草中的木质纤维素结构，有效提高狼尾草发酵的利用率及沼气产生率；3、本发明还针对狼尾草发酵材料的发酵工艺进行优化，进一步对发酵材料的狼尾草刈割周期、碳氮比、发酵液的初始pH值、发酵温度进行整体调整优化，使发酵过程更加合理稳定，进一步提高狼尾草发酵的利用率及沼气产生率，缩产气生产周期，操作简单、可控性高，实用性强。附图说明图1为经不同高压脉冲电场预处理的累积产气量对比图；图2为经不同高压脉冲电场预处理的日产气量对比图。具体实施方式下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1：一种以狼尾草为原料高效制备沼气的方法，以狼尾草为原料，利用高压脉冲电场新技术辅助提高狼尾草沼气发酵产量的新方法，具体的制备步骤为：1)原料制备收集狼尾草作为发酵原料进行备料，并将狼尾草粉碎成1-3cm的小段；2)高压脉冲电场预处理将步骤1)中得到的粉碎后的狼尾草放入高压脉冲电场进行处理，在高压脉冲电场的电压为15kv，频率为90Hz的条件下对狼尾草处理30Min；3)菌种驯化以重量份数为1:100:200的比例加入经过高压脉冲电场预处理的狼尾草、污泥和温水搅拌混匀后分瓶装于发酵瓶中，在35℃恒温水浴锅中培养驯化一周，测得总菌种中总固体浓度为8％，挥发性固体值浓度为45％，得到驯化污泥；4)发酵处理将第2)步骤中得到的狼尾草与第3)步骤中得到的驯化污泥配制为发酵料液在35±1℃恒温水浴锅中进行厌氧发酵，所配置的发酵料液的总固体浓度为5％，接种率为23％，初始pH值为7；5)收集沼气将发酵装置密闭,经过1～2天产生沼气,在35℃环境下厌氧发酵33天，排水法收集沼气。实施例2：一种以狼尾草为原料高效制备沼气的方法，以狼尾草为原料，利用高压脉冲电场新技术辅助提高狼尾草沼气发酵产量的新方法，具体的制备步骤为：1)原料制备收集狼尾草作为发酵原料进行备料，并将狼尾草粉碎成1-3cm的小段；2)高压脉冲电场预处理将步骤1)中得到的粉碎后的狼尾草放入高压脉冲电场进行处理，在高压脉冲电场的电压为40kv，频率为120Hz的条件下对狼尾草处理90Min；3)菌种驯化以重量份数为1:100:200的比例加入经过高压脉冲电场预处理的狼尾草、污泥和温水搅拌混匀后分瓶装于发酵瓶中，在35℃恒温水浴锅中培养驯化一周，测得总菌种中总固体浓度为8％，挥发性固体值浓度为45％，得到驯化污泥；4)发酵处理将第2)步骤中得到的狼尾草与第3)步骤中得到的驯化污泥配制为发酵料液在35±1℃恒温水浴锅中进行厌氧发酵，所配置的发酵料液的总固体浓度为5％，接种率为23％，初始pH值为7；5)收集沼气将发酵装置密闭,经过1～2天产生沼气,在35℃环境下厌氧发酵33天，排水法收集沼气。实施例3：作为实施例1或2的优选，一种以狼尾草为原料高效制备沼气的方法，以狼尾草为原料，利用高压脉冲电场新技术辅助提高狼尾草沼气发酵产量，具体的制备步骤为：1)原料制备选取生长周期为8-9周的狼尾草进行备料，并将狼尾草粉碎；2)高压脉冲电场预处理将1)中粉碎后得到的狼尾草放入高压脉冲电场进行处理，在高压脉冲电场的电压为15kv，频率为150Hz，对狼尾草的处理时间为60Min；3)菌种驯化以重量份数为1:100:200的比例加入经过高压脉冲电场预处理的狼尾草、污泥和温水搅拌混匀后分瓶装于发酵瓶中，在35℃恒温水浴锅中培养驯化一周，测得总菌种中总固体浓度为8％，挥发性固体值浓度为45％，得到驯化污泥；4)发酵处理将第2)步骤中得到的狼尾草与第3)步骤中得到的驯化污泥配制为发酵料液在35±1℃恒温水浴锅中进行厌氧发酵，所配置的发酵料液的总固体浓度为5％，接种率为23％，初始pH值为7，狼尾草与驯化污泥的配置比例为1:100；5)收集沼气将发酵装置密闭,经过1～2天产生沼气,在35℃环境下厌氧发酵33天，排水法收集沼气。实验分析利用实验发对高压脉冲电场的对狼尾草的处理参数对狼尾草发酵工艺中高狼尾草发酵的利用率及沼气产生率进行探究。根据对高压脉冲电场原理的分析，我们可以得出，高压脉冲电场的生物效应会受到电场强度、作用时间、脉冲特性、温度、处理电极等因素的影响。根据HPEF的可调条件，本次研究主要选取了影响HPEF效果最主要的三个因素：电场强度(电压)、频率和作用时间。表1影响HPEF的因素及水平取值选取60g狼尾草按上述在相同环境下方法进行发酵，并进行数据测定，其中：总固体(TS)：杂交狼尾草和活性污泥的含水率质量分数采用105±5℃下干燥恒重法；挥发性固体(VS)：采用550±20℃下灼烧恒重法；日产气量采用排水法测定，共测定33天；料液pH值用精密pH试纸测定；甲烷含量用甲烷测定仪测定，各项目组数据均为3次平行测定结果均值。并对经过不同条件下的高压脉冲电场处理的狼尾草的日产气量和累积产气量进行分析，其结果如表2和3。表2不同条件下的高压脉冲电场处理的狼尾草的日产气量统计表3不同条件下的高压脉冲电场处理的狼尾草的累积产气量统计由上表可知，比较实验组和对照组的数据可得到：在相同的产气条件下，经过高压脉冲电场(HPEF)处理的实验组的产气量与对照组相比较都有一定程度的增加，表明利用HPEF处理狼尾草可以促进其产气量的增加，在利用高压脉冲电场后的狼尾草进行发酵，其日产气量和累积产气量较未做处理的对照组的有较大程度的提高，同时，在高压脉冲电场选用的电压为15kv，频率为150Hz，对狼尾草的处理时间为60Min(系列2)时，通过三者的配合，使狼尾草的日产气量和累积产气量较其他条件水平较高，其具体对比如图1、2所示，并利用偏最小二乘回归(PLSR)分析沼气总产量(y)和高压脉冲电场三因素:电压(x1)、频率(x2)、作用时间(x3)之间的关系，建立回归方程：y＝9771.42-1.32x1-11.88x2+7.33x3在上述回归方程中可看出利用HPEF处理狼尾草能增加其产气量，在HPEF的三个因素中，对产气量的增加影响程度最大的是频率，其次是作用时间、电压。本发明的原理分析：细胞电穿孔理论表明，生物膜的双分子层内充满了带电离子。当细胞处于电场之中时，细胞膜内的带电离子会根据电场作用力而产生移动，发生极化现象。带电物质位置的定向改变会使细胞内外膜之间形成一个微电场，进而产生电位差，称为跨膜电压。电位差和细胞膜的通透性在电场的作用下增大。当电场强度超过某一临界值时，细胞膜的通透性急剧增强，导致细胞膜穿孔(如图所示)，随着脉冲电场的持续作用，穿孔逐渐增大，配合电场振荡效应作用，细胞发生崩溃。本发明利用狼尾草代替传统稻草、秸秆废弃物类原料作为发酵原料生产沼气，充分实现了狼尾草的资源化利用，有效扩充了能源植物的种类；同时，本发明将高压脉冲电场新技术引入到狼尾草沼气发酵的工艺中，通过对电场中处理参数的创造性选择，实现对狼尾草发酵材料的破壁处理，有效破坏了狼尾草中的木质纤维素结构，有效提高狼尾草发酵的利用率及沼气产生率；本发明还针对狼尾草发酵材料的发酵工艺进行优化，进一步对发酵材料的狼尾草刈割周期、碳氮比、发酵液的初始pH值、发酵温度进行整体调整优化，使发酵过程更加合理稳定，进一步提高狼尾草发酵的利用率及沼气产生率，缩产气生产周期，操作简单、可控性高，实用性强。最终，以上实施例和附图仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。