秸秆基质产沼气发酵过程优化

【摘要】：随着能源危机和环境污染问题的日益加剧，利用秸秆产沼气因其环保、节能、取材方便等特点日益受到重视。但是，传统的农业秸秆发酵存在不易控制、产气不稳定等问题，除了发酵系统的菌种和工艺问题外，系统酸化问题成为秸秆沼气升级的技术瓶颈。本研究以秸秆为主要基质通过高效多菌耦合、添加促进剂与补加平台菌株对秸秆发酵制备沼气模型进行优化，取得结果如下： 1、以肉牛瘤胃液为菌种源，经过以木质素磺酸钠为唯一碳源的无氧-有氧两相实验中筛选出四种细菌（P-1、P-2、P-3、P-4）。以木质素降解产物-阿魏酸降解作为木质素降解能力的依据进行复筛，发现：菌株P-1和P-3具有较强降解阿魏酸能力，而且有氧条件比厌氧条件更有利于木质素的降解。在以羧甲基纤维素为唯一碳源的无氧-有氧两相实验中确定P-1、P-3中只有P-1具有兼性降解纤维素能力。16S rDNA序列分析的鉴定结果表明，菌株P-1为芽孢杆菌属（Bacillus sp.），菌株P-3为假单胞菌属（Pseudomonas sp.）。 2、在秸秆厌氧发酵体系中运用正交实验设计进行了Bacillus sp.P-1、Pseudomonas sp. P-3和谢氏丙酸杆菌的接种量优化。实验条件下以Bacillus sp.P-1好氧培养液45mL（细胞干重1.05±0.05g/L）、Pseudomonas sp. P-3好氧培养液30mL（细胞干重1.63±0.14g/L）和谢氏丙酸杆菌好氧培养液45mL（细胞干重1.25±0.11g/L）进行混合接种，沼气产量最高。 3、在秸秆厌氧发酵产沼气体系添加代谢调控因子，确定：添加柠檬酸盐（终浓度3g/L）、乙二酸盐（终浓度1g/L）、苹果酸盐（终浓度1g/L）可分别提高沼气产量100%、75%和81%；添加柠檬酸盐和乙二酸盐使体系总固形物（TS）含量、挥发性固形物（VS）含量分别比对照降低11.2%～17.2%、13.0%～29.3%和2.4%～10.3%、10.5%～20.0%，说明了柠檬酸盐和乙二酸盐都促进了体系中TS和VS的利用；苹果酸盐添加也使TS含量比对照降低4.8%～22.9%。同时发现柠檬酸盐和乙二酸盐均能促进厌氧体系纤维素的降解，其降解率是15.87～17.28%和17.53%～19.11%，比对照分别提高了0.5%～1.9%和0.3%～9.3%。添加1g/L苹果酸盐后，钴离子含量为43.26μg/g TS，比对照提高了31.21%；镍离子含量为63.19μg/g TS，比对照提高了32.51%。说明苹果酸盐可以通过促进辅因子钴和镍的厌氧同化作用而促进甲烷合成的电子传递效率，并最终提高了甲烷的产量。 5、在Bacillus sp. P-1、Pseudomonas sp. P-3、谢氏丙酸杆菌耦合的秸秆厌氧发酵产沼气体系中，添加促进剂柠檬酸盐3.26g/L，乙二酸盐1.03g/L、苹果酸盐1.15g/L进行培养，当产气终止后，向体系补加粪产碱菌（细胞干重0.74±0.12g/L）、甲烷菌（细胞干重1.32±0.12g/L），继续培养直到产沼气停止，发现：接种甲烷菌10%（v/v），沼气量增加53mL；接种粪产碱菌5%（v/v），沼气增加量65mL。通过方差数据分析可知：补加甲烷菌对体系继续产沼气的影响大于粪产碱菌带来的影响，当添加甲烷菌10%（v/v），粪产碱菌5%（v/v）时沼气增加量平均达到100mL，比只添加甲烷菌的沼气增加量提高了88.7%。 【关键词】：多菌耦合发酵 纤维素 木质素 阿魏酸 甲烷菌
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 引言11-20
• 1.1 背景11
• 1.2 秸秆资源利用与开发11-13
• 1.2.1 秸秆的组成及理化性质11-12
• 1.2.2 秸秆厌氧发酵价值12-13
• 1.3 木质素降解研究现状13-15
• 1.3.1 降解木质素的微生物13-14
• 1.3.2 木质素及其降解芳环产物对微生物的毒性14
• 1.3.3 多菌耦合发酵的优越性14-15
• 1.4 沼气发酵15-18
• 1.4.1 沼气发酵原理15-16
• 1.4.2 甲烷菌代谢的研究16-17
• 1.4.3 厌氧发酵的现状和研究进展17-18
• 1.5 论文研究的目的和意义18-20
• 1.5.1 研究目的18
• 1.5.2 研究意义18
• 1.5.3 研究内容18-20
• 第2章 兼性降解木质素、纤维素细菌的筛选与鉴定20-34
• 2.1 实验材料和方法20-24
• 2.1.1 实验材料20-21
• 2.1.1.1 原料采集20
• 2.1.1.2 无氧培养基的制作20-21
• 2.1.1.3 初筛培养基21
• 2.1.1.4 LB 培养基21
• 2.1.1.5 以阿魏酸为唯一碳源的筛选培养基21
• 2.1.1.6 以羧甲基纤维素钠为唯一碳源的筛选培养基21
• 2.1.1.7 无氧无菌水的制备21
• 2.1.2 实验试剂与仪器21-22
• 2.1.2.1 试剂21-22
• 2.1.2.2 主要仪器22
• 2.1.3 实验方法22-24
• 2.1.3.1 兼性降解木质素细菌初筛22-23
• 2.1.3.2 兼性降解木质素分解产物（阿魏酸）的细菌复筛23
• 2.1.3.3 细菌降解木质素性能初步测定23-24
• 2.1.3.4 兼性降解纤维素细菌筛选24
• 2.1.3.5 兼性降解木质素、纤维素细菌的鉴定24
• 2.2 结果与分析24-33
• 2.2.1 兼性木质素降解菌初筛24-25
• 2.2.2 兼性木质素降解菌复筛25-26
• 2.2.2.1 阿魏酸的标准曲线回归方程的确定25-26
• 2.2.2.2 以阿魏酸降解量为指标的复筛26
• 2.2.3 细菌降解木质素性能初步研究26-30
• 2.2.3.1 有氧和厌氧培养对生物量的影响26-27
• 2.2.3.2 木质素标准曲线的确定27-28
• 2.2.3.3 有氧和厌氧培养对木质素含量的影响28-30
• 2.2.4 兼性降解纤维素细菌的复筛30
• 2.2.5 兼性降解木质素、纤维素细菌的鉴定30-33
• 2.3 小结33-34
• 第3章 多菌耦合厌氧发酵工艺的研究34-57
• 3.1 实验材料和方法34-41
• 3.1.1 实验材料34
• 3.1.1.1 发酵原料34
• 3.1.1.2 接种物34
• 3.1.2 实验试剂与仪器34-37
• 3.1.2.1 试剂34-36
• 3.1.2.2 主要仪器36
• 3.1.2.3 溶液配制36-37
• 3.1.3 实验方法37-38
• 3.1.3.1 多菌耦合发酵试验基本操作37-38
• 3.1.3.2 促发剂对厌氧发酵产沼气的影响38
• 3.1.3.3 厌氧发酵促发剂的响应面优化38
• 3.1.4 检测方法38-41
• 3.1.4.1 产沼气量检测38
• 3.1.4.2 发酵液 pH 值38
• 3.1.4.3 TS、VS 含量检测38-39
• 3.1.4.4 挥发性脂肪酸检测39-40
• 3.1.4.5 钴含量检测40
• 3.1.4.6 镍含量检测40
• 3.1.4.7 纤维素、木质素降解率的检测40-41
• 3.2 结论与分析41-55
• 3.2.1 多菌耦合最优接种工艺41-42
• 3.2.1.1 多菌耦合接种工艺的确定41-42
• 3.2.2 促发剂对厌氧发酵产沼气的影响42-52
• 3.2.2.1 柠檬酸盐对秸秆厌氧降解体系产沼气的影响42-46
• 3.2.2.2 乙二酸盐对秸秆厌氧降解体系产沼气的影响46-48
• 3.2.2.3 苹果酸盐对秸秆厌氧降解体系产沼气的影响48-52
• 3.2.3 厌氧发酵促发剂的响应面优化52-55
• 3.2.3.1 三盐优化组合对秸秆厌氧降解体系产沼气的影响52-55
• 3.2.3.2 产气量的验证55
• 3.3 小结55-57
• 第4章 多菌耦合厌氧发酵补加工艺57-62
• 4.1 实验材料和方法57-58
• 4.1.1 实验材料57
• 4.1.1.1 发酵原料57
• 4.1.1.2 接种物57
• 4.1.2 实验试剂与仪器57-58
• 4.1.2.1 试剂57
• 4.1.2.2 主要仪器57
• 4.1.2.3 溶液配制57-58
• 4.1.3 实验方法58
• 4.1.3.1 补加工艺的确定58
• 4.1.3.2 补加工艺的优化58
• 4.1.3.3 检测方法58
• 4.2 结论与分析58-61
• 4.2.1 补加甲烷菌对秸秆厌氧降解体系产沼气的影响58-59
• 4.2.2 补加粪产碱菌对秸秆厌氧降解体系产沼气的影响59-60
• 4.2.3 补加粪产碱菌、甲烷菌工艺优化60-61
• 4.3 小结61-62
• 第5章 结论与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 特色与特点63
• 5.3 展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录70

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