响应面法优化猪粪沼气发酵工艺
发布时间：2022-02-08 21:26
为提高猪粪沼气发酵的产气效率,试验应用响应面法对其沼气发酵工艺进行优化,通过Design-Express8.0.6.1软件的Box-Behnken中心组合试验设计,以原料产气率为响应值,研究发酵温度、总固体浓度（TS）和搅拌转速3个因素对猪粪产气效率的影响,建立相关数学模型,并对模型进行降维优化分析,最后进行试验验证。结果表明,发酵温度和TS两因素对于猪粪产气效率的影响表现为极显著。最优工艺条件TS为5.8%,发酵温度为29℃,搅拌转速为92 r·min-1时,理论原料产气率为160.09 mL·g-1TS,试验原料产气率为154.83 mL·g-1TS,试验值与理论值接近,二者相对偏差为3.21%。可见,所建模型能较好的优化沼气发酵工艺参数。
【文章来源】：中国沼气. 2018,36(04)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
沼气发酵装置A．恒温水浴锅;B．集气瓶;C．计量瓶;D．发酵瓶;E．标线;F．搅拌棒
Ｒ2Adj=0．9372，可解释93．72%响应值的变化。相关系数Ｒ2=0．9725，表明此模型拟合度较好，可用于响应变量预测，沼气发酵原料产气率的预测值与实际值如图2所示。2．2不同因素对沼气发酵工艺的影响2．2．1单因素对原料产气率的效应分析为了分析单一因素对原料产气率的影响，通过降维分析，可以把多元问题转换为一元问题，即把模型中其他因素控制在相同的水平上，可得到单因素与原料产气率的一元回归模型［22－23］。图3为在其他因素设定在0水平时，得到另一变化因素的一维模型曲线，由图可知，3个因素均呈先升高后降低的趋势，其中发酵温度变化幅度最大，其次是TS和搅拌转速，说明在试验设定的条件范围内，发酵温度在25℃～45℃和TS在3%～7%范围内，对原料产气率的影响波动较大，而搅拌转速在50r·min－1～150r·min－1范围内累积产气量的波动较小。由此说明对原料产气率的结果影响较大的依次是发酵温度、TS和搅拌转速，这与方差分析的结果是一致的。图3单因素水平下原料产气率的变化图4基于发酵温度和TS的累积产气量响应曲面图5基于发酵温度和TS的累积产气量等高线图2．2．2因素交互作用对原料产气率的效应分析根据回归方程得出的不同因子响应面分析及相应等值线图，可直观看出各因素交互作用对沼气发酵原料产气率的影响，如果曲线弧度越大，表明该因素对原料产气率的影响越大，相应表现为响应值变化的大小［21－22］。图4和图5为发酵温度与TS两者交互对沼气发酵原料产气率的影响。由图4可知，原料产气率随着发酵温度和TS的升高呈现逐渐增大，达到最大值后，呈缓慢下降?
为在其他因素设定在0水平时，得到另一变化因素的一维模型曲线，由图可知，3个因素均呈先升高后降低的趋势，其中发酵温度变化幅度最大，其次是TS和搅拌转速，说明在试验设定的条件范围内，发酵温度在25℃～45℃和TS在3%～7%范围内，对原料产气率的影响波动较大，而搅拌转速在50r·min－1～150r·min－1范围内累积产气量的波动较小。由此说明对原料产气率的结果影响较大的依次是发酵温度、TS和搅拌转速，这与方差分析的结果是一致的。图3单因素水平下原料产气率的变化图4基于发酵温度和TS的累积产气量响应曲面图5基于发酵温度和TS的累积产气量等高线图2．2．2因素交互作用对原料产气率的效应分析根据回归方程得出的不同因子响应面分析及相应等值线图，可直观看出各因素交互作用对沼气发酵原料产气率的影响，如果曲线弧度越大，表明该因素对原料产气率的影响越大，相应表现为响应值变化的大小［21－22］。图4和图5为发酵温度与TS两者交互对沼气发酵原料产气率的影响。由图4可知，原料产气率随着发酵温度和TS的升高呈现逐渐增大，达到最大值后，呈缓慢下降的趋势。结合图5，当处理发酵温度处于35℃左右，TS约为4%～5%时，其沼气发酵的原料产气率可达187．50m3·kg－1TS。在TS处于固定值时，发酵温度与搅拌转速两者交互对沼气发酵原料产气率的影响如图6和图7所示。图6基于发酵温度和搅拌转速的累积产气量响应曲面01中国沼气ChinaBiogas2018，36(4)
【参考文献】：
期刊论文
[1]碱热预处理对青霉素菌渣厌氧发酵产沼气效率的影响[J]. 赵燕肖,习彦华,饶硕,崔冠慧,程辉彩,张丽萍,史延茂. 中国沼气. 2017(05)
[2]总固体浓度对猪粪中温连续厌氧发酵的影响[J]. 常华,李海红,闫志英. 陕西科技大学学报. 2017(04)
[3]响应面法对藕渣制莲藕醋发酵工艺的优化[J]. 胡若贤,马倩婷,刘妍,郑清,彭斌,彭英云,徐珏,高文婧. 食品工业科技. 2017(22)
[4]响应面法分析优化牛粪厌氧发酵工艺参数[J]. 乔小珊,李希希,付茂梅,陈玉成. 环境工程学报. 2014(08)
[5]固体浓度对猪粪厌氧消化甲烷产出特性的影响[J]. 陈欣,涂德浴,隋倩雯,刘翀,董红敏. 中国农业气象. 2014(02)
[6]响应面法优化微波提取茂谷橘橙皮总黄酮工艺[J]. 陈源,杨道富,范丽华,段斌莉,余亚白,赖呈纯,谢鸿根. 中国食品学报. 2013(04)
[7]响应面法优化猪粪和玉米秸秆混合厌氧发酵产沼气工艺[J]. 丁琨,苏有勇,张无敌. 中国沼气. 2012(06)
[8]餐厨垃圾和牛粪混合厌氧发酵工艺优化[J]. 李轶,李磊,张大雷,谷士艳,寇巍,易维明. 农业机械学报. 2012(S1)
[9]响应面法优化野艾蒿多糖的超声波提取及其抗氧化性研究[J]. 戴喜末,熊子文,罗丽萍. 食品科学. 2011(08)
[10]我国畜禽粪便污染和利用现状分析[J]. 朱凤连,马友华,周静,关静,梁家妮,赵艳萍. 安徽农学通报. 2008(13)
硕士论文
[1]中温混合厌氧发酵产沼气影响条件分析及优化[D]. 段彦芳.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3615780
【文章来源】：中国沼气. 2018,36(04)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
沼气发酵装置A．恒温水浴锅;B．集气瓶;C．计量瓶;D．发酵瓶;E．标线;F．搅拌棒
Ｒ2Adj=0．9372，可解释93．72%响应值的变化。相关系数Ｒ2=0．9725，表明此模型拟合度较好，可用于响应变量预测，沼气发酵原料产气率的预测值与实际值如图2所示。2．2不同因素对沼气发酵工艺的影响2．2．1单因素对原料产气率的效应分析为了分析单一因素对原料产气率的影响，通过降维分析，可以把多元问题转换为一元问题，即把模型中其他因素控制在相同的水平上，可得到单因素与原料产气率的一元回归模型［22－23］。图3为在其他因素设定在0水平时，得到另一变化因素的一维模型曲线，由图可知，3个因素均呈先升高后降低的趋势，其中发酵温度变化幅度最大，其次是TS和搅拌转速，说明在试验设定的条件范围内，发酵温度在25℃～45℃和TS在3%～7%范围内，对原料产气率的影响波动较大，而搅拌转速在50r·min－1～150r·min－1范围内累积产气量的波动较小。由此说明对原料产气率的结果影响较大的依次是发酵温度、TS和搅拌转速，这与方差分析的结果是一致的。图3单因素水平下原料产气率的变化图4基于发酵温度和TS的累积产气量响应曲面图5基于发酵温度和TS的累积产气量等高线图2．2．2因素交互作用对原料产气率的效应分析根据回归方程得出的不同因子响应面分析及相应等值线图，可直观看出各因素交互作用对沼气发酵原料产气率的影响，如果曲线弧度越大，表明该因素对原料产气率的影响越大，相应表现为响应值变化的大小［21－22］。图4和图5为发酵温度与TS两者交互对沼气发酵原料产气率的影响。由图4可知，原料产气率随着发酵温度和TS的升高呈现逐渐增大，达到最大值后，呈缓慢下降?
为在其他因素设定在0水平时，得到另一变化因素的一维模型曲线，由图可知，3个因素均呈先升高后降低的趋势，其中发酵温度变化幅度最大，其次是TS和搅拌转速，说明在试验设定的条件范围内，发酵温度在25℃～45℃和TS在3%～7%范围内，对原料产气率的影响波动较大，而搅拌转速在50r·min－1～150r·min－1范围内累积产气量的波动较小。由此说明对原料产气率的结果影响较大的依次是发酵温度、TS和搅拌转速，这与方差分析的结果是一致的。图3单因素水平下原料产气率的变化图4基于发酵温度和TS的累积产气量响应曲面图5基于发酵温度和TS的累积产气量等高线图2．2．2因素交互作用对原料产气率的效应分析根据回归方程得出的不同因子响应面分析及相应等值线图，可直观看出各因素交互作用对沼气发酵原料产气率的影响，如果曲线弧度越大，表明该因素对原料产气率的影响越大，相应表现为响应值变化的大小［21－22］。图4和图5为发酵温度与TS两者交互对沼气发酵原料产气率的影响。由图4可知，原料产气率随着发酵温度和TS的升高呈现逐渐增大，达到最大值后，呈缓慢下降的趋势。结合图5，当处理发酵温度处于35℃左右，TS约为4%～5%时，其沼气发酵的原料产气率可达187．50m3·kg－1TS。在TS处于固定值时，发酵温度与搅拌转速两者交互对沼气发酵原料产气率的影响如图6和图7所示。图6基于发酵温度和搅拌转速的累积产气量响应曲面01中国沼气ChinaBiogas2018，36(4)
【参考文献】：
期刊论文
[1]碱热预处理对青霉素菌渣厌氧发酵产沼气效率的影响[J]. 赵燕肖,习彦华,饶硕,崔冠慧,程辉彩,张丽萍,史延茂. 中国沼气. 2017(05)
[2]总固体浓度对猪粪中温连续厌氧发酵的影响[J]. 常华,李海红,闫志英. 陕西科技大学学报. 2017(04)
[3]响应面法对藕渣制莲藕醋发酵工艺的优化[J]. 胡若贤,马倩婷,刘妍,郑清,彭斌,彭英云,徐珏,高文婧. 食品工业科技. 2017(22)
[4]响应面法分析优化牛粪厌氧发酵工艺参数[J]. 乔小珊,李希希,付茂梅,陈玉成. 环境工程学报. 2014(08)
[5]固体浓度对猪粪厌氧消化甲烷产出特性的影响[J]. 陈欣,涂德浴,隋倩雯,刘翀,董红敏. 中国农业气象. 2014(02)
[6]响应面法优化微波提取茂谷橘橙皮总黄酮工艺[J]. 陈源,杨道富,范丽华,段斌莉,余亚白,赖呈纯,谢鸿根. 中国食品学报. 2013(04)
[7]响应面法优化猪粪和玉米秸秆混合厌氧发酵产沼气工艺[J]. 丁琨,苏有勇,张无敌. 中国沼气. 2012(06)
[8]餐厨垃圾和牛粪混合厌氧发酵工艺优化[J]. 李轶,李磊,张大雷,谷士艳,寇巍,易维明. 农业机械学报. 2012(S1)
[9]响应面法优化野艾蒿多糖的超声波提取及其抗氧化性研究[J]. 戴喜末,熊子文,罗丽萍. 食品科学. 2011(08)
[10]我国畜禽粪便污染和利用现状分析[J]. 朱凤连,马友华,周静,关静,梁家妮,赵艳萍. 安徽农学通报. 2008(13)
硕士论文
[1]中温混合厌氧发酵产沼气影响条件分析及优化[D]. 段彦芳.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3615780
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