利用田口方法优化超声波预处理在微藻生物气体生产中的应用

《BioEnergy Research》：Optimization of Ultrasound Pretreatment Applications in Biogas Production from Microalgae with the Taguchi Approach

　　

摘要

本研究应用超声波预处理技术来提高微藻生物质的沼气产量，并利用田口方法（Taguchi method）优化这一过程。在针对动物废水培养的混合微藻生物质进行的超声波预处理中，研究了功率（40–100%）、时间（75–600秒）和固体浓度（0.5–3%）这三个参数。为了评估预处理对藻细胞破坏效果的影响，计算了细胞破裂的百分比，并通过生化甲烷潜力测试测定了生物质的沼气生产潜力。信号与噪声比（signal-to-noise ratio）的计算结果表明，固体浓度是影响该过程的关键因素，在最低浓度（0.5%）下细胞破裂率达到了34%。方差分析（ANOVA）显示，固体浓度对微藻生物质的超声波破坏作用贡献最大，占比达到了53.47%，这一结论得到了模型高R2值（0.93）的支持。与对照组样品相比，在US-4（功率100%、时间600秒、固体浓度0.5%）、US-8（功率100%、时间300秒、固体浓度1%）、US-10（功率60%、时间600秒、固体浓度2%）以及US-13（功率40%、时间600秒、固体浓度3%）条件下，沼气生产潜力分别提高了3倍、2.75倍、2.75倍和1.78倍。基于一级动力学的动力学建模显示，实验数据与模型结果具有较高的相关性（R2值介于0.85至0.99之间），这证实了超声波预处理显著增强了水解速率常数并加速了沼气的生产过程。能量效率计算（E_out/E_in）表明，效率与处理时间呈负相关。这些研究结果表明，超声波处理可以提高沼气产量，因此缩短处理时间对于实现正能量平衡至关重要。

图形摘要