玉米秸秆厌氧产氢工艺参数优化

为解决玉米秸秆结构致密导致秸秆发酵难于直接降解的问题,首先分别采用0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的HCl溶液对其进行预处理,以厌氧活性污泥为接种物进行中温(38℃)发酵产氢试验。结果表明,玉米秸秆的累积产氢量和产氢速率随着盐酸质量分数的增大先增加后降低,0.6%HCl处理效果最佳,单位累积产氢量和产氢速率分别为87.90 m L/g和3.05 m L/(g·h)。再以0.6%HCl溶液预处理的玉米秸秆为底物进行发酵产氢的单因素和正交试验,研究了秸秆粒径、底物浓度、初始p H值对玉米秸秆厌氧发酵产氢过程的影响。结果表明:玉米秸秆粒径越小越利于发酵产氢;适度增加底物浓度可增加产氢量;适宜的发酵初始p H值有利于产氢细菌的生长繁殖;得到较佳的工艺参数组合为秸秆粒径150μm、底物浓度15 g/L、初始p H值为7,此时累积产氢量为112.87 m L/g。     

磷酸盐和碳酸盐对秸秆类生物质光发酵产氢的影响

为研究磷酸盐和碳酸盐对光发酵产氢过程的影响,该文主要以酶解预处理后的玉米秸秆为产氢基质,对不同浓度的磷酸盐(K_2HPO_4)和碳酸盐(NaHCO_3 )下的氢气产量、pH值、ORP值和产氢动力学结果进行分析。结果表明,当K_2HPO_4的浓度为10 mmol/L时,氢气产量为(40.65±0.35)m L/g,比对照组显著提高了28.48%,对光发酵产氢的促进效果最好;终pH值为6.37±0.02,显著高于对照组的6.06±0.03,能够有效缓冲反应体系的pH值。不同K_2HPO_4浓度下的产氢动力学特性结果表明,适当的K_2HPO_4浓度提高了最大产氢潜能和最大产氢速率,缩短了产氢延迟时间,当K_2HPO_4的浓度为10 mmol/L时,最大产氢潜能最大,和最大产氢速率较大,产氢延迟时间较短,分别是40.81 m L/g、1.87 m L/(h·g)和2.85 h。当NaHCO_3 浓度为5 mmol/L时,氢气产量为(37.46±1.40)m L/g,比对照组显著提高了18.39%,对光发酵产氢的促进效果最好;终pH值为6.26±0.04,显著高于对照组的6.06±0.03,能够有效缓冲反应体系的pH值。不同NaHCO_3 浓度下的产氢动力学结果表明,适当的NaHCO_3 浓度能够提高最大产氢潜能和最大产氢速率,但却会延迟光合细菌的产氢,当NaHCO_3 浓度为5 mmol/L时,最大产氢潜能和最大产氢速率最大,产氢延迟时间相对较短,分别是37.26 m L/g、1.92 m L/(h·g)和5.11 h。该研究可为秸秆类生物质光发酵生物制氢工艺提供参考。     

光合细菌协同产气肠杆菌联合发酵制氢试验

暗-光联合生物制氢是提高底物利用率和产氢潜力的有益探索。该文以玉米秸秆酶解液为产氢底物,采用光合细菌(HAU-M1)与产气肠杆菌(AS1.489)混合培养工艺,进行了同步糖化暗-光联合生物制氢试验研究。以累积产氢量为主要指标,利用单因素试验考察了底物质量浓度、初始pH值、光照强度、发酵温度对HAU-M1与产气肠杆菌混合培养条件下联合产氢的影响,并在单因素试验的基础上通过正交试验对产氢工艺参数进行了优化。结果表明:各工艺参数对HAU-M1与产气肠杆菌联合产氢影响的主次顺序为:发酵温度初始pH值底物质量浓度光照强度。发酵温度和初始pH值是影响HAU-M1与产气肠杆菌联合产氢的显著因素。HAU-M1与产气肠杆菌混合培养联合产氢的较佳工艺条件为:底物质量浓度35 g/L、初始pH值6.5、光照强度3 500 1x、发酵温度30℃,在此条件下,72 h的累积产氢量达到332.6 mL,单位产氢量为47.5 mL/g。该试验研究可为基于秸秆类生物质的暗-光细菌混合培养联合产氢的进一步研究提供参考。     

生物—碱氧化预处理玉米秸秆酶解条件的优化

白腐菌生物—碱氧化预处理（BAO预处理）具有环境友好、低能耗的优势,是一项很有前景的生产纤维质乙醇预处理技术。为获得预处理后玉米秸秆的最优酶解条件,通过动力学研究评价了纤维素酶负荷、反应时间、基质浓度对还原糖产量的影响,并利用响应面分析法优化了酶解反应温度、pH值和转速。结果表明,最适的酶解糖化条件为：酶负荷30 FPU/g,基质浓度20 g/L,反应时间48 h,pH 4.8,转速200 r/min,反应温度49℃。在此条件下,秸秆的还原糖产量达到（0.479±0.012）g/g。     

γ射线辐照与NaOH溶液协同预处理对玉米秸秆酶解产糖率及微观结构的影响

为提高玉米秸秆的酶解产糖量,研究γ射线辐照与NaOH溶液协同处理对玉米秸秆中酶解还原糖得率的影响。采用红外光谱(IR)、X射线衍射分析和扫描电镜(SEM)分析协同处理对玉米秸秆微观结构的影响。结果表明,较低剂量辐照对玉米秸秆酶解还原糖得率作用不明显,但可大幅降低后续碱浸泡所需的用量和时间。电镜扫描结果表明,经200kGy剂量辐照与碱协同预处理的样品,表面积增加最多。经200kGy辐照和2%NaOH溶液协同预处理的玉米秸秆,其酶解还原糖含量达到了48.34%,这为应用酶解玉米秸秆生产工业乙醇提供了理论依据。     

适宜初始温度提高秸秆光合细菌制氢效果

秸秆微粉的光合细菌制氢过程是放热反应,引起的热效应会直接影响产氢效果。为了实现高效低能耗产氢,该文采用秸秆微化粉碎与酶水解预处理相结合的方法,利用自制的秸秆微粉光合细菌制氢反应热测试系统,进行了不同初始温度对秸秆微粉酶解光合细菌制氢反应热的影响试验研究,结果表明:当初始温度为30℃时,最大反应热约为7.1 kJ,最大产热速率约为1.01 kJ/h,反应末期累计反应热约为32.9 kJ,累计产氢量约为745.9 mL,光合细菌制氢反应最充分,产氢效果最好;累计产氢量和底物能量转化率可用累计反应热的二次多项式来表示,光能转化率可用累计反应热的三次多项式来表示。该研究结论可为揭示秸秆微粉酶解光合细菌制氢过程的热量释放变化规律,从生物反应热角度优化工艺参数和预测光合细菌制氢效果提供参考依据。     

玉米秸秆厌氧消化预处理方法及工艺优化

为提高玉米秸秆厌氧消化性能,该文采用碱液、酸液、沼液等方法对玉米秸秆进行预处理,比较不同预处理方式对秸秆成分、含量以及厌氧消化能力的影响。试验结果表明,经超声波辅助碱预处理后,秸秆的木质素和半纤维素总含量显著降低,产气量显著提高。基于Box-Behnken(BBK)试验设计,选择碱液预处理的固固比(Na OH/秸秆,下同)、预处理温度、预处理时间为试验因素,结合响应面分析法对碱液预处理条件进行响应面优化,结果表明,最佳玉米秸秆预处理条件为固固比22.4%,预处理温度37.9℃,预处理时间39.7 h,在此条件下还原糖产量的试验值为738.6 mg/g,沼气累积产量的试验值为661 m L/g,试验值与预测值误差不到0.5%,证明了响应面优化法的准确性和可行性。     

三株产ACC脱氨酶的植物根际促生菌产酶条件优化及促生作用研究

为提高植物根际促生菌（PGPR）菌株产1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶的能力,对3株PGPR菌株进行了最佳产酶条件优化及玉米促生试验。在单因素试验的基础上,研究了p H、温度、ACC底物浓度、Na Cl浓度、摇床转速对ACC脱氨酶酶比活力的影响,以p H、温度、ACC底物浓度为主要因素,进行响应面最佳产酶工艺优化。最终得到W5菌株的产酶条件为p H 8、温度32℃、ACC脱氨酶底物浓度6.0 mmol/L;BS2-2菌株的产酶条件为p H 10、温度30℃、ACC脱氨酶底物浓度6.0 mmol/L;5#菌株产酶条件为pH 9、温度30℃、ACC脱氨酶底物浓度6.0 mmol/L;较未优化前酶比活力分别提高了6.6、2、4倍。在盆栽试验中,W5菌株促生效果最为显著。利用高产ACC脱氨酶的PGPR能够促进玉米生长,可为制作为微生物复合菌剂奠定基础。     

汽爆玉米秸秆酶解时表观酶活及物料理化性质的变化

为推动汽爆玉米秸秆生产丁醇的工业化进程,从工程实际出发,针对汽爆玉米秸秆酶解过程进行研究,考察酶解液糖浓度、纤维素酶表观酶活以及搅拌器搅拌功率的变化,并利用显微镜、电镜、X-ray、以及粒度分布仪对酶解反应过程中物料物理化学性质的改变进行表征。结果表明：随着酶解反应的进行,酶解液糖浓度从初始的0持续增加到56.25 g/L,搅拌功率持续降低,由反应初期的32.3 W降低至反应后期的5.2 W,且都是在1 h内变化最快;纤维素酶表观酶活则表现为先降低后增加,然后再降低的趋势;在酶解过程中固体颗粒粒度呈现降低的趋势,比表面积逐渐增加,结晶度和微晶尺寸也有所降低,颗粒内部空腔增多。该研究为秸秆丁醇工业化提供参考。     

外加电压改善微生物电解池内稻秸同步酶解发酵产氢性能

该文以稻草秸秆等为原料研究了微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)内外加电压(0、0.4、0.6、0.8、1.0 V)对木质纤维素同步酶解发酵产氢特性的影响,得到MEC利用木质纤维素产氢的最优电压,实现可再生资源综合利用与清洁能源开发的双重目的。试验结果表明,MEC的产氢速率、产氢得率、基质消减量及总能量得率皆呈逐渐增加的趋势,但相对电能消耗的能量得率则呈逐渐下降的趋势。当外加电压为0.4 V时,得到试验条件下最大的相对电能消耗的能量得率(377.59%),当外加电压为1 V时获得最大的氢气产量为44.8 m L和总能量得率2.84%;在发酵产氢过程中,阳极室p H值呈先逐渐下降后略上升的趋势,有机酸分析测试表明,在MEC内的发酵产氢为丁酸发酵型。本研究对探索MEC内木质纤维素原料的同步酶解发酵产氢,提高纤维素基质酶解糖化和发酵产氢效率具有一定的指导意义。     

酶法复合脱毒提高玉米秸秆水解液丁醇发酵效率

利用玉米秸秆发酵产丁醇在生物质转化领域具有明显优势。为解除玉米秸秆水解液中多种有毒物质对微生物生长的抑制及对发酵产量的影响,该研究摒除常用的理化脱毒法,选择高效环保的酶法脱毒以实现溶剂高产。研究结果表明:通过优化漆酶和甲酸脱氢酶添加量以去除水解液中酚类和甲酸,单独添加漆酶5 U/m L、甲酸脱氢酶1 U/m L,水解液发酵的丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol,ABE,总溶剂)产量分别为1.03和1.11 g/L。再在活性炭的辅助下形成高效酶法复合脱毒体系,经复合脱毒处理的水解液发酵后丁醇产量达2.90 g/L,总溶剂ABE产量达到4.4 g/L,比未作处理的对照组发酵产量高出约5倍,实现了生物质的高效转化。可为玉米秸秆水解液发酵生产燃料丁醇提供参考。     

玉米秸秆蒸汽爆破用于厌氧发酵的技术评价

蒸汽爆破可破坏木质纤维素结构,提高纤维素、半纤维素的转化利用率,是秸秆类物质利用的一种有效预处理方式。作者研究了玉米秸秆蒸汽爆破处理及其厌氧发酵过程中的能量平衡关系,结果表明相同维压时间下蒸汽爆破处理后玉米秸秆厌氧发酵过程中的能源转化率随着压力增大而增大,而在相同压力条件下均在90 s维压时间时得到最大能源转化率。玉米秸秆蒸汽爆破后在常温条件下厌氧发酵的最小和最大能源转化率分别为8.39%和11.68%,是对照组的1.38倍和1.92倍。但对蒸汽爆破玉米秸秆厌氧发酵的增量效益-费用比分析表明,因玉米秸秆蒸汽爆破处理而引起厌氧发酵产气量增加所形成产气的能量增加量小于蒸汽爆破处理所消耗的能量,从能量转换角度来说蒸汽爆破并不是玉米秸秆厌氧发酵的最经济处理方式。     

汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵特性

为了研究青玉米秸秆未汽爆和汽爆预处理后厌氧发酵产沼气特性,该文采用汽爆压力为2.5MPa,保压时间为90s,加入质量分数为30%的沼液,未气爆青玉米秸秆的TS(总固体物)质量分数为6%,汽爆预处理青玉米秸秆厌氧发酵的TS质量分数分别为1%、2%、3%、4%、6%、8%、10%和15%,考察了厌氧发酵过程中pH值和产气量随时间和TS质量分数的变化。结果表明:未汽爆秸秆在TS质量分数为6%时能够顺利厌氧发酵,但汽爆秸秆厌氧发酵液极易酸化,且无法调节,适宜的TS质量分数最大为4%;未汽爆秸秆挥发性固体产气率为214.6mL/g,汽爆秸秆在TS质量分数为3%时产气率最大,为334.8mL/g,比未处理秸秆提高了56%;未汽爆秸秆的产气速率为3.3mL/(g·d),汽爆秸秆产气速率随TS质量分数增大而减小,在TS质量分数为1%时最大,为14.8mL/(g·d)。青玉米秸秆经汽爆预处理后其厌氧发酵产沼气的产气率和产气速率大大提高,可以节约发酵时间,缩短发酵周期,有利于秸秆能源化利用的工业化生产。     

猪粪与马铃薯皮渣混合厌氧发酵产氢特性

为了提高厌氧产氢菌利用复杂物料的产氢能力和稳定性,该文研究了猪粪与马铃薯皮渣混合质量比对厌氧发酵产氢的比产氢率、挥发性固体去除率、液相末端产物组成等发酵特性的影响。试验结果表明,底物组成显著影响产氢发酵的发酵类型。以单纯马铃薯皮渣为底物时,体系的比产氢率最高达31.55mL/g,挥发性固体去除率为29.43%,发酵类型为丁酸型;当猪粪在发酵底物中的质量比从10:70提高至40:40后,体系的发酵类型由丁酸型转变为乙酸型,同时维持了较高的比产氢率(22.48～24.18mL/g)和挥发性固体去除率(28.31%～32.93%)。但是当猪粪逐渐变为主要发酵底物(猪粪与马铃薯皮渣质量比为50:30、60:20、70:10、80:0)时,发酵逐渐受到抑制,系统的比产氢率和挥发性固体去除率都明显下降。采用Modified Gompertz模型可以很好地拟合累积产氢量随时间的变化,其动力学参数最大产氢量、最大产氢速率和停滞时间可以作为混合物料产氢发酵代谢过程的重要评价指标。该研究为优化混合物料厌氧产氢发酵过程提供参考和依据。     

人粪与不同原料配比对厌氧发酵产气影响

为提高人畜粪便和农作物秸秆资源化有效利用提供科学依据,研究了人粪与各种不同原料混合发酵的产气效率。试验通过自行研究设计的可控性恒温发酵装置,以人粪、牛粪、鸡粪和玉米秆为消化原料,以常温厌氧发酵池的底物为接种物,在总固TS质量分数为8%条件下,进行批量厌氧消化试验,研究人粪分别与牛粪、鸡粪和玉米秆按不同比例（干物质质量比为1∶1、2∶1、3∶1）混合发酵的产气速率、累积产气量的变化。结果表明,在25℃恒温条件下,人粪与3种原料的混合发酵,均能正常产气,均能在厌氧发酵开始后的5～14d达最大产气速率,在30d左右各自的累积产气量均能达到总产气量的87%～92%,其中人粪与牛粪的混合产气效率最好,各组物料的3种配比的平均累积产气量分别为26713、21281和21227mL,各组物料的最优配比的最高产气速率分别为1500、1260和1100mL·d^-1。在25℃下,人粪与牛粪混合发酵的最优配比为3∶1,人粪与鸡粪的为1∶1以及人粪与玉米秆的为3∶1,为人粪与不同原料配比的混合厌氧发酵提供了参考依据。     

连续式秸秆发酵饲料制备机的研制与试验

为解决目前秸秆饲料转化技术周期长、占用空间大等问题,基于优先分解部分半纤维素的体外发酵工艺,研制了一种适用于农作物秸秆的连续式秸秆发酵饲料制备机,以实现秸秆发酵饲料的快速高效生产。该文分别以玉米、水稻和小麦3种秸秆为原料、以木质纤维素分解菌复合系MC1为发酵剂,进行了周期为3d的、连续梯度发酵试验,对机器进行性能检测及相应的改进。通过试验发现以玉米秸秆为原料时,机器运行效果最佳。发酵3d后,玉米秸秆变得松散柔软,半纤维素少量分解,纤维素和木质素基本不分解。该机操作简单、使用方便,发酵过程中能耗低,周期短,可实现秸秆发酵饲料的连续批次生产,生产效率高。     

沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析

以反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气剩余物沼渣为研究对象,采用振动筛分分组、统计分析、图像处理和Fibertec 2010&M6纤维分析系统分析等方法,对沼渣的物理成分及沼渣纤维化学成分进行了测定分析。研究结果表明,沼渣主要由质量分数为64%的纤维、35%的非矿物质和1%的矿物质组成;沼渣纤维中纤维素、半纤维素、木质素、灰分及其它各成分的质量分数分别为44.8%、21.9%、15.6%和17.7%。从而得出结论：反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气后的沼渣中纤维素含量较水稻、小麦和玉米等作物秸秆的高5%以上,半纤维素含量较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆低5%。研究结果为沼渣资源化、高值化利用技术研究奠定了基础。     

基于电子流守恒理论的秸秆厌氧发酵产气预测

目前关于厌氧产气的预测仍然较为粗略,该文综合考虑了物料成分及降解性能,微生物的同化异化,氮源,提出了一种基于电子流守恒理论的厌氧发酵产气预测方法。在假设秸秆各组分充分降解的情况下对秸秆厌氧发酵的最大产气量进行预测,并通过参考数据对其进行了验证,结果表明与试验值相比预测值最小误差为0.3%,平均误差10.2%,可以较准确的预测出秸秆厌氧发酵的最大产气量。该文进一步通过此方法对中国主要的3种秸秆的厌氧发酵最大产气量以及在实际工程条件下的秸秆产气量进行了预测。此方法的提出为预测秸秆最大产气量以及秸秆在工程中产气性能提供了参考,计算较为方便,也提高产气预测的准确性。