多菌种混合发酵转化秸秆技术的研究及应用进展

农作物秸秆是农业生产的副产品,也是一项重要的生物资源。利用微生物的广泛适应性和多功能性来转化秸秆已日益受到国内外科学研究者重视,特别是多菌种混合发酵是将秸秆纤维素转化为蛋白质、乙醇、乙酸等最具发展前景的方法。文章通过混合菌降解秸秆纤维,转化利用秸秆制蛋白饲料、燃料酒精、农用沼气等方面,对混合菌发酵转化秸秆技术的研究进展进行阐述。混合菌发酵转化秸秆已成为农业综合开发领域的一个亮点,正在朝着多元化,深层次的方向发展。     

高效木薯渣分解复合菌群RXS的构建及其发酵特性研究

从富含腐烂纤维质的环境中取样,通过以木薯渣及滤纸为碳源的蛋白胨纤维素培养基不断地富集培养,构建了一组高效稳定的纤维质分解复合菌群.考察了该复合菌群对不同纤维质底物的分解性能及其在木薯渣水解过程中主要参数的变化.研究发现该复合菌群对滤纸、脱脂棉、微晶纤维素、麦秸秆和木薯渣等原料均能够进行有效的降解.在该复合菌群应用于木薯渣的水解过程中,监测发现纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶等关键酶的酶活力分别在第2～3 d达到最大值34.4、90.5和15.8U;经过10 d的发酵后,木薯渣中的纤维素、半纤维素及木质素分别降解了79.8%、85.9%和19.4%,且木薯渣的失重高达61.5%;此外,代谢产物主要是乙酸、丁酸、己酸和甘油;而溶解性COD、总糖和总挥发酸的变化表明第2 d时木薯渣的水解率最高.上述结果表明,该复合菌群能够有效地水解木薯燃料酒精生产过程中的废弃物木薯渣,并有望用于木薯渣高效沼气发酵的前处理中.     

甘蔗渣和稻草秸在亚/超临界水中液化的初探

采用亚/超临界水解方法进行了甘蔗渣和稻草秸液化的实验研究,考察了反应温度、质量比(秸秆/水)对纤维素液化转化所得还原糖产率的影响.研究结果表明:(1)反应温度为350℃,固液比为1∶4时,甘蔗渣转化为还原糖的产率与浓度最大,产率达31.8%,浓度为127 g/L;(2)稻草秸在333℃,固液比为1∶3.6时,还原糖产率...     

玉米秸秆化学预处理后进行厌氧干发酵试验的研究

采用稀硫酸和稀氢氧化钠处理玉米秸秆,分析秸秆纤维组成和纤维结构的变化,并对酸、碱处理后的玉米秸秆进行厌氧干发酵试验。研究表明,采用稀酸处理玉米秸秆的还原糖产率明显高于采用稀碱处理的玉米秸秆;稀硫酸对半纤维素的去除率可达74.27%,稀碱对木质素的去除率最高可达83.94%;玉米秸秆经稀酸处理和稀碱处理后进行厌氧干发酵试验,其累积产气率和甲烷含量都有所提高,但酸法高于碱法。     

热纤维梭菌不同菌株的纤维素降解和酒精生产能力

以高温厌氧细菌热纤维梭菌(Clostridium thermocellum LQRI和VPI菌株)和嗜热厌氧乙醇菌(Thermoanaerobacterethanolicus X514和39E菌株)为对象,以不同浓度纤维素为底物,分析了热纤维梭菌不同菌株的纤维素降解和酒精生产能力.结果表明,在热纤维梭菌纯培养体系中,LQRI对纤维素的降解能力明显高于VPI,前者约为后者的1.2倍,但两者的酒精生产能力没有显著差异,LQRI在1%纤维素条件下酒精终浓度约为12 mmol/L,VPI约为10 mmol/L.随着底物纤维素浓度的增加(1%、2%、5%),两者对纤维素降解和酒精生产能力均呈明显下降趋势.在热纤维梭菌和嗜热厌氧乙醇菌混合培养体系中,LQRI对纤维素的降解能力明显高于VPI,前者约为后者的1.28～1.58倍.随着底物浓度的增加,两者的纤维素降解率均逐渐下降,但热纤维梭菌对纤维素降解的绝对数值还受到其它混合培养菌种的影响.此外,LQRI+Thermoanaerobacter混合培养体系的酒精生产能力明显高于VPI+Thermoanaerobacter,前者约为后者的1.27～1.77倍.随着底物浓度的增加,混合培养体系酒精生产能力没有明显下降趋势.     

磺酸负载型碳材料催化水解秸秆木质纤维素的研究

本研究以稻草秸秆木质纤维素为反应原料,开展了磺酸负载型碳材料在水热条件下催化木质纤维素水解产生还原糖的研究,考察了磺酸负载量对催化水解木质纤维素作用的影响,并分析了在改性碳材料催化条件下,反应温度,反应时间,催化剂用量,纤维球磨预处理等因素对木质纤维素水解过程的影响。研究结果表明磺酸负载型碳材料,促进其催化水解木质纤维素的性能。在170℃条件下,催化剂投加量为0.2g,反应时间为9h时为木质纤维素水解和还原糖积累的最优条件。同时在纤维素水解前进行48h的球磨预处理能有效提高木质纤维素的水解和利用效率。     

酒精糟液分离设备简介

酒精糟液分离设备简介山东省环保科研所胡金波，孔献珍以薯干或五米为原料的酒精生产中。有大量的酒精糟液产出。其中固形物含量约为３～５％。其主要成分为纤维系、蛋白质、多糖、未发酵利用的淀粉和无机矿物质。既是猪、牛、鱼、鸡等的优质饲料。又可用其进一步生产其它...     

一株发酵纤维素产丁酸菌及其代谢动力学特性

为开发降解纤维素产丁酸菌的种子资源,从牛粪、猪粪堆肥、玉米地土壤和腐木混合物的富集样品中分离得到一株厌氧降解纤维素产丁酸菌.该菌株细胞呈杆状,长7.1~9.1μm,直径1.2μm左右,经鉴定为丁酸梭菌(Clostridium butyricum),命名为C. Butyricum DCB.在35℃条件下,菌株DCB在纤维二糖液体培养基中的最大比生长速率为0.6536h^-1,世代时间为1.06h,纤维二糖降解速率为0.1g/(L·h),丁酸生成速率为0.06g/(L·h).该菌株利用纤维素发酵产丁酸的转化率高达0.23g/g,具有良好的开发前景.     

亲水改性磺酸型碳材料催化纤维素水解研究

该研究以微晶纤维素作为纤维素的模型物,开展了对亲水改性的磺酸型碳材料在水热条件下催化纤维素水解产生还原糖的研究,考察了亲水改性对催化水解作用的影响,并分析了在改性碳材料催化条件下,反应时间、催化剂用量、反应温度等因素对纤维素水解过程的影响。研究结果表明碳材料的亲水改性能提高催化剂表层的亲水性能,从而提升其催化水解纤维素的性能。在170℃条件下,催化剂投加量为0.2 g,反应时间为10 h时是纤维素水解和还原糖积累的最佳条件。     

Plackett-Burman实验设计优化餐厨垃圾发酵产燃料酒精的研究

针对餐厨垃圾中营养元素含量丰富的特点,利用运动发酵单胞菌对餐厨垃圾发酵生产燃料酒精,采用Plackett-Burman实验设计分析多种酶制剂和营养物质对发酵过程的影响. 结果表明,糖化酶和蛋白酶对于酒精发酵影响显著,其他酶和营养物的添加对发酵均无显著影响,说明餐厨垃圾自身所含的丰富营养即可以满足细菌生长的需要. 进一步的单因素试验分析表明糖化酶的最佳添加量为100 U/g. 当同时添加100U/g 蛋白酶和100 U/g 糖化酶时,酒精产量达到最大值53g/L, 比单纯添加糖化酶时产量高10%,其酒精转化率为44%. 经酒精发酵后,餐厨垃圾粗蛋白增加了1.5倍且纤维素含量较低,可作为饲料使用. 利用餐厨垃圾产酒精不仅处理了污染严重的废物,同时也为酒精生产提供了廉价的原料,具有较高的环境效益和经济效益.     

玉米芯经酸-超声波强化碱耦合预处理制取燃料乙醇

为研究酸碱耦合和超声波对玉米芯预处理效果的影响,通过成分分析、GC-MS分析、还原糖测定、X射线衍射和Jade软件的计算比较预处理后玉米芯的组成形态、结晶结构特点和酶解得率变化,以获得最佳的预处理条件. 结果表明:酸处理后的滤渣继续进行碱处理时,w(半纤维素)和w(木质素)均可降至14%左右;若在碱处理的同时进行超声波强化,当超声波功率为120 W,作用时间为5 min时,w(木质素)可进一步降至7.86%,酶解得率从34.09%升至37.32%,玉米芯的结晶度从59.79%降至57.46%. 以玉米芯为原料制取燃料乙醇的最佳预处理方式为“酸-超声波强化碱”耦合预处理.      

餐厨垃圾接种酵母菌固态厌氧发酵产乙醇的可行性研究

餐厨垃圾可定向发酵产乙醇,但复杂的预处理导致处理时间长、工艺复杂度增加. 本文通过直接接种酵母菌和灭菌后接种酵母菌对比试验,分析发酵系统内乙醇、乙醇前体物还原糖、还原糖前体物淀粉的降解与产生规律,探讨餐厨垃圾直接接种酵母菌固态厌氧发酵产乙醇的可行性及规律. 结果表明:酵母菌的添加能够促进餐厨垃圾固体厌氧发酵产生乙醇,接种酵母菌后乙醇浓度为11.86~12.09 g/L,是空白对照的8.41~31.50倍,且高于灭菌预处理后接种的6.88~10.02 g/L;基于修正的Gompertz模型分析也证实了上述结果,接种酵母菌后,系统产乙醇潜力(P_m)和单位最大乙醇产率(R_m)也随之上升,但接种量对餐厨垃圾的P_m和R_m影响不大. 对乙醇前体物还原糖的分析表明,接种酵母菌能够在发酵初期就可以发挥作用,促使系统内还原糖在0~4 h内快速降为43.37~46.55 mg/g,从而加速了餐厨垃圾的稳定化进程,但在4~24 h内,由于次生代谢物的抑制作用,系统内还原糖未出现明显的产生和降解. 还原糖前体物淀粉的水解情况分析表明,接种酵母菌可将淀粉的水解率由19.36%提高到27.90%~37.57%,但淀粉含量在274.02~316.51 mg/g之间时已不再发生水解. 研究显示,直接接种酵母菌有助于餐厨垃圾固态厌氧发酵产乙醇含量的提高,体系中还原糖、淀粉含量并未成为餐厨垃圾固态厌氧发酵产乙醇量的限制性因素.      

湿热水解预处理对餐厨废弃物液相物质转化的影响

设计湿热水解预处理温度(80、120、150和200 ℃)、时间(40、50、60和70 min)、加水量(40%、60%、80%和100%)的三因素四水平正交试验,研究湿热水解预处理对餐厨废弃物液相可浮油脱出量、ρ(COD_Cr)、糖类、ρ(VFA)(VFA为挥发性脂肪酸)等的影响. 结果表明:餐厨废弃物经湿热水解预处理后可浮油脱出量明显提高. 在150 ℃、加水量40%、处理60 min的湿热水解条件下,可浮油脱出量(67.7 mL/kg)最高,比未经预处理的对照组提高了2.65倍;同时,ρ(还原糖)和ρ(总糖)也达到最高,分别比对照组增加了16.29%和38.92%.随着温度升高和处理时间的延长,ρ(COD_Cr)不断升高,在200 ℃、加水量40%、处理70 min的湿热水解条件下,ρ(COD_Cr)最高为109.729 g/L,比对照组提高了1.39倍. 经湿热水解预处理后,ρ(VFA)也呈显著增加,在200 ℃、加水量100%、处理40 min的湿热水解条件下,ρ(VFA)达到最高,比对照组增加了66.26%.预处理后,ρ(乙酸)、ρ(丁酸)升高,ρ(乙醇)降低. 方差、极差综合分析表明,在湿热水解过程中,温度是影响餐厨废弃物液相物质转化的主控因子,其次是加水量和时间.      

Integration of Solid Oxide Fuel Cell in a sugar-ethanol factory: analysis of the efficiency and the environmental profile of the products

The effect of the integration of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) technology in a sugar-ethanol factory on the environmental profile/footprint of the products (sugar, ethanol, electricity) is evaluated. The sugarcane is the primary feedstock and sugar, ethanol and electricity are the main products of the system, where the functional unit is defined as 9.86 ton/h of sugar, 2.195 ton/h of hydrated ethanol (96% w/w) and 847 kWh of electricity. A detailed set of material and energy inputs and outputs was obtained from a local factory and was completed using simulation data by Aspen Plus^®.The environmental impacts (greenhouse gases and air pollution), exergy efficiency and a renewability parameter have been considered as indicators for the comparative assessment with conventional sugar, ethanol and electricity production technologies. The results show that the use of a SOFC technology involves a reduction of greenhouse gas emissions (52-55%) and non-renewable resources (60-64%) when compared with the conventional integrated sugar and ethanol plant. The higher renewability index (0.93) and exergy efficiency (38%) are noticed for the Solid Oxide Fuel Cell technology integrated in the sugar-ethanol factory than conventional sugar-ethanol plant.     

Improving the economic and environmental performances of the beet sugar industry in Slovenia: increasing fuel efficiency and using by-products for ethanol

This paper investigates the possibilities of attaining zero-waste emissions in the case of sugar production. The case-studied sugar plant located in Slovenia reflected a typical plant, using traditional sugar production from beet. An investigation of the possible use of waste and by-products from sugar processing was carried out, in order to approach zero-waste from beet sugar processing.The sugar production process was simulated and optimization was carried out concerning energy utilization. Consumption of energy in the chosen sugar plant was lowered by simultaneous optimization of the evaporation and crystallization process. Changing the fuel type used in the case-studied sugar plant (replacement of heavy fuel oil with natural gas) produced a significant decrease in air emission.Opportunities in the sugar industry have been discovered for adapting to new market conditions through the optimization of combined sugar–ethanol production. The two proposed options have been economically and environmentally evaluated and compared.     

硫酸盐还原菌包覆矿石控制酸性废水排放及碳源的优选研究

本研究基于实验室筛选、培养的硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing bacteria,简称SRB)菌群,分别考察以麦芽糊精、污泥、乙醇、乳酸钠等为碳源时SRB的生长状况,同时模拟野外环境进行柱淋滤实验,分析在不同碳源作用下原位控制酸性矿山废水的效果。结果表明,采用这4种碳源时,SRB还原硫酸盐能力的大小依次为:乙醇麦芽糊精乳酸钠污泥,对SO24-的去除率分别为91.9%、86.9%、83.4%和65.0%。模拟实验结果表明,接种SRB并在初期补充碳源,能有效控制含硫废石的SO24-释放和酸性矿山排水的产生,以乙醇、麦芽糊精、乳酸钠和污泥为碳源对雨水淋溶时SO24-的减排率分别为84.8%、76.2%、69.9%、54.0%。综合考虑经济性和污染控制能力,麦芽糊精是较理想的工程碳源,培养7天后能在矿石表面广泛覆膜,生物膜中优势菌群为Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes,能有效控制硫的氧化与酸性排水的产生。     

麦秆酸预处理后与猪粪混合发酵提高产气量的效应研究

为了研究不同水平的酸处理对麦秆混合发酵过程中各指标变化的影响,本试验通过测定不同醋酸浓度、时间处理后的麦秆与猪粪混合厌氧发酵进程中还原糖、挥发性脂肪酸(VFA)含量,以及p H值变化和甲烷产量,探究各指标的关系并优化得出最佳醋酸处理组合,以期为酸预处理混合发酵实现高甲烷产量提供可靠的理论依据.结果表明,醋酸处理后的麦秆通过与猪粪混合发酵可明显提高甲烷单位产量,增幅为124.28%~207.40%.发酵过程中还原糖、VFA、p H值间相互影响.通过响应面法建立模型,得到醋酸处理的最优组合为浓度3.35%、时间6.75d,最大甲烷单位产量751.97 m L·g-1(以VS计).     

Effects of various pretreatment methods on mixed microflora to enhance biohydrogen production from corn stover hydrolysate

Effects on mixed microflora to enhance biohydrogen production from corn stover hydrolysate was studied.     

Greenhouse gas savings potential of sugar cane bio-energy systems

One of the major justifications for bio-energy systems is their low greenhouse gas (GHG) emissions compared to fossil-energy ones. Transforming a sugar mill into a bio-energy plant would contribute to climate change mitigation via the extraction of renewable electricity and ethanol. This study takes the case of the sugar industry in Thailand and identifies scenario options that offer GHG reduction benefits. Improving efficiency in electricity generation from sugar cane residues e.g. excess bagasse and cane trash is such a beneficial option. Furthermore, extracting ethanol in a so-called bio-refinery, where the co-product stillage is utilized for energy, tends to magnify the potential benefit. The largest savings potential achieved with extracting ethanol from surplus sugar versus current practice in the sugar industry in Thailand amounts to 14 million tonnes CO₂e a year. This cannot be realized in practice until the carbon debt from land conversion is repaid, which takes 4.5–7 years, assuming that the land converted is grassland.     

餐饮废物制取燃料乙醇发酵条件研究

通过单因素试验选取试验因子,并根据Box-Benhnken的中心组合试验设计原理,在单因素试验基础上采用四因素三水平响应面分析法,以乙醇含量为响应值,对发酵条件进行优化.结果表明,发酵温度、发酵时间、初始pH和接种量与乙醇含量存在显著相关性.最佳发酵条件为发酵温度33.8℃、发酵时间101.5h、初始pH=4.6、接种量16.6%.通过实验室小试,在最优发酵条件下,乙醇含量可达到6.93%,乙醇发酵效果较好.还原糖利用率达到88.7%,每吨干物质原料可产192.8L乙醇.