汽爆秸秆高温固态发酵沼气的研究

沼气液态深层发酵及秸秆的物理、化学和生物预处理方式存在效率低、污染重等问题。为了解决这些问题,对蒸汽爆破预处理方式以及固态发酵在玉米秸秆沼气化中的应用进行了研究。秸秆经过蒸汽爆破预处理后,在50℃的高温条件下进行固态发酵沼气,甲烷产量达到138.2 mL/g TS。通过单因素实验优化,确定最佳发酵条件为:固液比1∶7,初始pH值7.5,接种量35%,NH4HCO3添加量0.04 g/g干汽爆秸秆,纤维素酶用量30 IU/g干汽爆秸秆,发酵温度50℃。在上述实验条件下,汽爆秸秆的甲烷产量提高至153.0 mL/g TS,是未汽爆秸秆的2.9倍。发酵后秸秆纤维素和半纤维素的降解率分别为59.86%和67.22%。因此,蒸汽爆破预处理有助于提高秸秆的产气量和降解率。高温固态发酵不仅可以缩短发酵延迟期,提高产气效率,而且发酵结束后不会产生大量废液,对环境友好。

变温调控对汽爆秸秆发酵产氢的影响

在以汽爆秸秆为原料,利用丁酸梭菌(Clostridium butyricum)同步糖化发酵产氢的过程中,存在着纤维素酶解和微生物发酵的最适温度不一致的矛盾,影响底物的转化和微生物利用。在发酵开始10 h和30 h的时候,分别进行两次变温调控,首先迅速升温至45℃,保持2 h后又迅速将温度降低回到丁酸梭菌的最适发酵温度35℃。这一变温调控能够促进纤维素酶解,并有利于微生物保持高活性。与恒温发酵相比,两次变温的最终产氢量提高1.2倍,纤维素和半纤维素的转化率分别为75%和88%。

汽爆秸秆膜循环酶解耦合丙酮丁醇发酵

利用新型的汽爆玉米秸秆膜循环酶解耦合发酵系统进行了丙酮丁醇发酵的研究,并对使用该系统所导致的丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum AS1.132)代谢的变化进行了讨论.在稀释率为0.075h-1的条件下,丁醇的产量为0.14g/g(纤维素+半纤维素),最大丁醇产率达到0.31g/(L-h),溶剂组成为丁醇:丙酮:乙醇65.3:24.3:10.4(体积比),纤维素和半纤维素的转化率分别为72%和80%,使用单位纤维素酶所产生的丁醇量为3.9mg/IU,是分步水解批次发酵的1.5倍.利用该系统使酶解和发酵分别在各自最适的条件下同时连续进行,减少了纤维素酶的用量,有效地解除了酶解产物对纤维素酶的抑制作用,并减轻了溶剂产物尤其是丁醇对微生物活性的影响,延长了发酵周期.

高效协同酶解中性汽爆玉米秸秆的工艺优化

玉米秸秆是我国主要的农业废弃物之一,在木质纤维素乙醇领域具有广阔的应用前景。而玉米秸秆预处理和酶法糖化成本过高是目前工艺中的重点和难点之一。从4种纤维素降解酶制剂中优选出对中性汽爆玉米秸秆有最佳协同效果的木霉和黑曲霉纤维素酶制剂(6∶4体积比混合)。在此基础上,评估了木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、β-葡聚糖酶、漆酶、锰过氧化物酶等酶制剂,聚乙二醇-4000、吐温-80、牛血清白蛋白等非酶因子对糖化效率的影响,得到了一组高效协同降解汽爆玉米秸秆的复合酶体系,并获得了适宜的糖化工艺。结果表明,以每克中性汽爆预处理的玉米秸秆为底物,加入10FPU木霉/曲霉混合酶液,并添加1000IU的木聚糖酶和0.05 gPEG4000,于50℃/150 r.min-1条件下水解144 h,糖化液中纤维二糖、葡萄糖和木糖的浓度分别达到8.4、25.1、15.5 g.L-1,总转化率、纤维素、半纤维素的转化率分别可以达到71.1%、81.5%和55.3%。糖化产物中六碳糖和五碳糖总浓度达到49 g.L-1。

中性纤维素酶糖化中性汽爆玉米秸秆工艺优化

提出一种在非缓冲系统中水解中性汽爆秸秆的工艺。首先选取具有较好协同降解木质纤维素能力的特异腐质霉(Humicola insolens)所产中性纤维素酶进行工艺优化,确定其水解工艺可以在非缓冲体系中进行。在此基础上,通过添加β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、漆酶和表面活性剂与中性纤维素酶制剂中进行复配后在非缓冲体系中(自然pH值)水解中性汽爆秸秆,并用分批加酶水解提高了复合酶的酶解效率。结果表明,每克中性汽爆秸秆底物中加入10FPU中性纤维素酶,75IUβ-葡萄糖苷酶,3000IU木聚糖酶和体积分数为0.5%Triton-100,以100g/L底物浓度水解120h后,综合水解率为48.4%。每克底物中复合酶以15+5FPU,分批加酶水解120h后综合水解率、纤维素水解率和半纤维素水解率分别为56.0%、64.9%和42.5%。这有助于拓宽木质纤维素糖化工艺研究的思路,为木质纤维素材料高效糖化及后续乙醇发酵提供参考。

碱性过氧化氢预处理后汽爆玉米秸秆半同步糖化发酵生产乙醇

为了实现纤维素乙醇生产的"三高"(高浓度、高转化率和高发酵效率)指标,以复合预处理处理后的玉米秸秆为基质,探究其半同步糖化发酵工艺过程。通过对其高底物浓度预酶解过程特性考察,确定其最佳预酶解工艺为:在加酶量30 FPU/g干基质和50℃下,以15.6%(w/v)为起始基质浓度,在酶解12 h时补加相当于20%(w/v)初始基质浓度的干物料后继续酶解24 h。在最佳预酶解工艺基础上,探究了培养基成分和培养条件对乙醇发酵的影响,确定了发酵过程工艺:酵母提取物16 g/L、接种龄20 h、接种量0.6 g干菌体/L、发酵温度39℃和PEG4000 0.01 g/g干基质。在最佳的半同糖化发酵工艺下,发酵24 h后,乙醇产量达73.75 g/L,发酵效率为3.07 g/(L·h),转化率为61%。结果表明通过补料半同步糖化发酵过程可以实现高浓度和高发酵效率双重目标,这有利于推进纤维素乙醇生产的工业化发展。

热带假丝酵母用未脱毒汽爆玉米秸秆产乙醇研究

为阐明专利菌种Candida tropicalis Y1利用玉米秸秆产乙醇的能力,以未脱毒汽爆玉米秸秆为原料进行分步糖化发酵(SHF)及同步糖化发酵(SSF)产乙醇。研究结果表明,底物浓度为25%(w/v)、纤维素酶15FPU/(g底物)、纤维二糖酶Novozyme 188 20IU/(g底物)、接种量5%(v/v)及不需添加任何外源营养物质,该菌在SHF过程中的乙醇浓度为38.75g/L乙醇,为理论产率的77.9%,在SSF过程中的乙醇浓度为40.53g/L;同时,SSF与SHF相比,SSF可得到更多的木糖醇,且毒性物质乙酸的浓度维持在较低水平。说明该专利菌株不但有较强的耐发酵抑制剂的能力,而且有较好的代谢葡萄糖和木糖分别产乙醇和木糖醇的能力。

汽爆玉米秸秆糖化及发酵丁醇工艺的优化研究

为了得到较高的丁醇浓度,以汽爆玉米秸秆为原料,对6种糖化工艺路线进行对比研究.结果表明:首先加入纤维素酶量的1/3,反应24 h后,再加入1/3纤维素酶,剩下的纤维素酶再隔12 h加入,共糖化48 h是一条较佳的糖化工艺路线.在此基础上,通过单因素试验和正交试验的考察,得到较优的丁醇发酵工艺条件.采用优化的工艺条件进行发酵,丁醇浓度达到了9.42 g/L.

未脱毒汽爆玉米秸秆高底物浓度的同步糖化和乙醇发酵

为取消蒸汽爆破预处理玉米秸秆水洗脱毒步骤和提高乙醇发酵的乙醇浓度,利用专利菌株酿酒酵母Y5,对蒸汽爆破预处理玉米秸秆不经脱毒处理,直接进行同步糖化和发酵(SSF)。蒸汽爆破玉米秸秆的浓度30%,同步糖化和发酵的时间96 h,100 m L、3000 m L反应器和5L发酵罐的乙醇浓度分别达到50.0、47.8、47.5 g/L。研究结果表明,菌株Y5在纤维素乙醇生产中对简化生产工艺、降低设备投资、减少水消耗、降低生产成本具有重要的应用前景。

酿酒酵母发酵未脱毒汽爆玉米秸秆酶解液产乙醇

研究用专利菌株Saccharomyce cerevisiae Y5对未脱毒汽爆玉米秸秆进行发酵产乙醇,包括添加和不添加氮源,该菌株对未脱毒酶解液的发酵、对未脱毒汽爆玉米秸秆高底物浓度的分步水解和发酵(SHF)和同步糖化发酵(SSF)产乙醇。研究表明,玉米浆(CSL)浓度40mL/L,24h乙醇浓度44.55g/L,为理论值的94.5%;不添加氮源,60h乙醇浓度43.21g/L;未脱毒汽爆玉米秸秆30%(w/v)底物浓度的SHF和SSF的最大乙醇浓度均为50g/L。乙醇浓度均超过了纤维素乙醇工业生产的基准浓度。

不同添加剂发酵处理对汽爆玉米秸秆发酵品质及微生物数量的影响

为研究不同添加剂对汽爆玉米秸秆发酵品质与微生物数量的影响,本研究以干黄玉米秸秆为原料,经蒸汽爆破处理后,添加Sila-Max、Sila-Mix、纤维活性菌(活性菌)进行密封发酵,以不添加任何添加剂为对照(CK),发酵60d后取样分析不同处理秸秆营养成分、发酵品质以及微生物数量变化。结果表明:1)不同添加剂处理下汽爆玉米秸秆粗蛋白(crude protein,CP)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)和粗灰分(crude ash,Ash)含量无显著差异(P>0.05),但与汽爆前干黄玉米秸秆相比,青贮后的汽爆玉米秸秆CP含量提高了2.01~2.05倍,NDF和ADF含量则分别降低了18.16%~20.17%和2.38%~3.94%,淀粉含量活性菌组最高,与SilaMax、Sila-Mix组无显著差异(P>0.05)。2)发酵过程中,活性菌组、CK组出现霉变情况,霉变量分别达5.07%和7.75%,而其余处理组未出现霉变现象。3)活性菌组乳酸含量显著高于其他处理(P<0.05);Sila-Max组汽爆玉米秸秆的乙酸、丙酸、丁酸含量显著高于其他处理(P<0.05)。4)不同添加剂处理下,发酵后汽爆玉米秸秆中微生物数量出现不同变化,乳酸菌数量Sila-Max组显著高于其他处理组(P<0.05);好氧细菌和梭菌数CK组显著高于其他处理(P<0.05),但与Sila-Max组无显著差异(P>0.05);霉菌在Sila-Max、Sila-Mix组均未检测到,在CK组和活性菌组中分别达3.17和3.47 lg cfu·g^-1。5)主成分与隶属函数综合分析得出,Sila-Max(0.55)>Sila-Mix(0.42)>活性菌(0.41)>CK(0.20)。综上,不同添加剂发酵处理对汽爆玉米秸秆发酵品质及微生物数量有一定影响,活性菌虽能增加乳酸含量,但在抑制有害微生物,防止霉变方面有所欠缺;Sila-Max可以提高乳酸菌、乙酸、丙酸含量,抑制有害微生物活动,防止霉变,并具有抑制二次发酵的潜力;Sila-Mix能够提高汽爆玉米秸秆乳酸菌数量,抑制有害微生物的活动,防止霉变。综合主成分与隶属函数得分,汽爆玉米秸秆青贮时添加Sila-Max综合表现最优,可以推广使用。

添加剂对汽爆玉米秸秆养分和发酵特性的影响

为解决饲料短缺问题,提高收获籽实后玉米秸秆的利用效率。本试验以经汽爆处理的玉米秸秆进行厌氧发酵,设对照(CK)、分别添加乳酸菌制剂Sila-Max(MAX),Sila-Mix(MIX)及纤维活性菌(活性菌)4个处理,发酵60 d后测定营养成分及发酵品质。结果表明:不同处理间常规营养成分无显著差异;康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(Cornell Net Carbohydrate and Protein System,CNCPS)评价结果表明,活性菌组乳酸、MAX组总挥发性脂肪酸含量显著高于其他处理(P<0.05);从发酵品质来看,活性菌组pH、NH3-N/TN显著低于其他处理(P<0.05),乳酸显著高于其他处理组(P<0.05),MAX组乙酸、丙酸含量显著高于其他处理组(P<0.05),MAX,MIX组干物质损失率显著低于其他处理组(P<0.05)。综上,纤维活性菌可以改善秸秆发酵品质;Sila-Max可以增加乙酸、丙酸含量,减少干物质损失,具有提高秸秆有氧稳定性、抑制饲料二次发酵的潜力;Sila-Mix可以减少秸秆干物质损失。

汽爆玉米秸秆脱毒及发酵丁醇工艺的实验研究

研究了不同脱毒方法对汽爆玉米秸秆发酵产丁醇的影响及发酵工艺。实验共考查了十种不同的脱毒工艺路线,结果表明:汽爆玉米秸秆经水洗预处理脱毒后,经酶解、离心去除沉淀物,并补加营养物质是一条较佳的工艺路线。在此基础上,进一步利用单因素实验和正交实验,考察了发酵温度、pH值、接种量、菌种种龄、培养基组成、发酵时间对丁醇发酵的影响,得到较优的丁醇发酵工艺条件为,发酵温度37℃,pH7.0,接种量7%,菌种种龄27h,培养基组成:酵母抽提物1.0g·L-1、KH2PO40.8g·L-1、MgSO4·7H2O 0.1g·L-1、(NH4)2SO42.0 g·L-1、FeSO4.7H2O 0.03g·L-1、尿素2.0g·L-1,发酵时间48 h。在此优化条件下,发酵液中起始糖浓度为50g·L-1时,丁醇的发酵浓度达到了9.42g·L-1。

体外产气法评价不同青贮添加剂处理下汽爆玉米秸秆品质

为评价不同青贮添加剂处理对汽爆玉米秸秆饲用价值的影响,采用体外产气法并结合扫描电镜,对比添加剂Sila-max(MAX)、Sila-mix(MIX)、纤维活性菌(活性菌)以及空白(CK)处理的汽爆玉米秸秆微观结构、体外消化率及瘤胃发酵特性。结果表明:添加剂组体外48 h累积产气量显著高于CK组(P<0.05);MAX组体外干物质消化率(DMD)、中性洗涤纤维消化率(NDFD)最高,分别达51.59%、31.06%,MIX组体外酸性洗涤纤维消化率(ADFD)最高,达31.50%,不同处理间均无显著差异(P>0.05);MAX组体外挥发性脂肪酸(TVFA)含量最高,与其他处理组差异显著(P<0.05);不同处理下NH_(3)-N浓度、pH均在瘤胃适宜的范围内;MIX组微生物蛋白(MCP)含量最高,与MAX组无显著差异(P>0.05),二者与其他处理组差异显著(P<0.05);通过扫描电镜观察,加入添加剂对秸秆纤维结构有明显破坏作用。综上,不同添加剂对汽爆玉米秸秆的作用不同,其中MAX处理的汽爆玉米秸秆产气效果较好,可推广使用。

玉米秸秆汽爆料生产纤维素酶

为了降低纤维乙醇生产过程中纤维素酶成本,以高产纤维素酶里氏木霉TGC521为生产菌株,玉米秸秆汽爆料为碳源,对纤维素酶的发酵工艺进行优化研究。在单因素试验基础上,利用Box-Behnken设计和响应面方法对培养基配方进行优化,并研究了溶氧、还原糖等工艺参数对发酵产酶的影响以及所产纤维素酶的应用。结果表明,玉米秸秆汽爆料对产酶影响最大,其次为玉米浆。优化培养基配方为:玉米秸秆汽爆料38.6 g/L、(NH_(4))_(2)SO_(4)4.8 g/L、玉米浆29.7 g/L、麸皮5.3 g/L、KH_(2)PO_(4)1.0 g/L、MgSO_(4)0.5 g/L。在溶氧浓度20%~30%、还原糖含量2.0~3.0 g/L、发酵时间144 h条件下,纤维素酶活力达到39.0 U/mL。进一步利用生产的纤维素酶进行原位糖化,低酶载量条件下纤维素转化率达85%以上。

汽爆玉米秸秆DDS型饲料对肉牛生长性能、瘤胃发酵及血清生化指标的影响

为了给汽爆玉米秸秆可溶干酒精糟(DDS)型饲料的应用提供依据,试验选择平均体重为(325.22±40.25)kg的12月龄西门塔尔杂交肉牛30头,平均分为2组,每组15头,单栏饲养,对照组肉牛饲喂基础日粮,试验组肉牛使用汽爆玉米秸秆DDS型饲料替代基础日粮中8%的玉米进行饲喂,试验期共130 d,其中预试期10 d,正试期120 d,分析了汽爆玉米秸秆DDS型饲料对肉牛生长性能、瘤胃发酵和血清生化指标的影响。结果表明:与对照组相比,试验组肉牛在生长性能和瘤胃发酵指标上均差异不显著(P>0.05);血清生化指标方面两组间差异不显著(P>0.05)。由于汽爆玉米秸秆DDS型饲料生产成本相对更低,结果说明其在肉牛生产中具有一定的推广应用价值。

秸秆汽爆饲料化利用自动化生产线研制

针对农作物秸秆木质化高,直接作为饲料存在适口性差、营养价值低等问题,采用汽爆加工方法可以提升秸秆品质,使秸秆成为更有价值的饲料。为此,设计了秸秆汽爆自动化生产线。秸秆汽爆饲料化工艺流程为:将秸秆粉碎至5~7 cm,使含水量增加到65%,装入汽爆罐中,通入饱和蒸汽进行消毒,待罐内压力达到1.25 MPa、温度190℃、保压5 min,迅速打开释放阀,秸秆在压力作用下内部膨胀,结构发生变化,由致密结构变成疏松、丝状、含水量较高的组织结构,降温到30℃与有益菌种搅拌均匀,保温30℃状态下发酵24 h,可以饲喂或者打包机包装。结果表明,高压蒸汽爆破处理使秸秆的木质纤维素结构得到改变,结合有益菌发酵,显著提高了秸秆的营养价值,秸秆汽爆发酵制备的营养饲草与精饲料直接进行混料,减少精饲料的投喂量。甘肃省灵台县康庄牧业有限公司2012年开始用汽爆后的秸秆代替30%的精饲料喂养平凉红牛,经过几年的实际饲喂验证,取得了较好的经济效益和社会效益。

8种真菌对玉米秸秆细胞选择性降解的研究

玉米秸秆组成上的不均一性导致了其高值化利用的困难,本研究旨在找出一株对杂细胞有高度选择性降解能力的菌种,用于降解玉米秸秆中的杂细胞,解决其组织结构不均一的问题,剩下的纤维则可用于制浆造纸。采用从染凤梨病甘蔗秆分离出的7种病原真菌和绿色木霉分别对汽爆玉米秸秆梳理过筛后分成的纤维细胞和杂细胞进行降解,结果显示:8种真菌对杂细胞的降解能力普遍大于对纤维细胞的降解能力。通过测定酶活和扫描电镜观察,得出其原因是与菌种所产酶活以及原料组成结构有关。其中,菌种C-2对杂细胞的选择性降解能力最强,杂细胞和纤维细胞的失重率相差17.88%。

不同纤维源对灰雁生长性能和屠宰性能的影响

本研究旨在通过饲养和屠宰试验探究不同纤维源对灰雁生长性能和屠宰性能的影响,为灰雁的科学饲养提供试验数据。试验选取240只4周龄健康灰雁,按性别和体重随机分为4组,每个处理组15个重复,每个重复4只灰雁,分别喂给含30%的黄贮玉米秸、汽爆玉米秸、汽爆麦秸和汽爆稻秸的试验日粮,试验分为2周过渡期和10周正试期。试验期间每2周测定1次采食量、增重、料重比等生长性能指标,在试验结束时进行屠宰试验,测定屠宰率、全净膛率、半净膛率、腹脂率、胸肌率、腿肌率等屠宰性能指标。试验结果表明,黄贮玉米秸组灰雁的采食量极显著高于3个汽爆秸秆组(P<0.01),料重比也显著高于3个汽爆秸秆组(P<0.05),而在增重指标上各组间均无显著性差异(P>0.05);3个汽爆秸秆组之间在生长性能各项指标上也无显著性差异(P>0.05)。屠宰性能方面,4种秸秆纤维源在屠宰性能各项指标上均无显著性差异(P>0.05)。在数据上,汽爆稻秸组的屠宰率、全净膛率和半净膛率均最低,黄贮玉米秸组的腹脂率最高,而胸肌率和腿肌率方面汽爆玉米秸组较高。除采食量和料重比外,4种秸秆纤维源对灰雁的生长性能和屠宰性能均无显著影响;相比于黄贮秸秆,汽爆秸秆组的料重比较低,可见汽爆技术可以在很大程度上提高秸秆的利用效率。

耐热马克斯克鲁维酵母发酵产乙醇研究

在采用半合成培养基的条件下,耐热的马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)的最佳乙醇发酵温度范围是34℃～40℃,糖醇转化率超过86%,产率到达4.4 g/(L·h);温度低于34℃,发酵周期要比34℃～40℃长2～3 h,其糖醇转化率为81.4%,产率为4.15g/L·h;在45℃时能发酵产生30.5 g/L乙醇,转化率达到74.8%,产率为2.95 g/(L·h)。在汽爆玉米秸秆酶解液(含75.8g/L的葡萄糖)中用K.marxianus进行的发酵实验表明,在30℃、37℃和45℃时,糖醇转化率比在半合成培养基中的要低,分别为69.1%、71.9%和59.3%,产率分别为0.56 g/(L·h),0.58g/(L·h),0.37 g/(L·h)。在酶解液中加入酵母膏和无机盐,在30℃和37℃的条件下,糖醇转化率都提高了10%左右,但对产率影响不大。在汽爆玉米秸秆产乙醇生产中与较常用的酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae进行比较,K.marxianus在37℃以上高温发酵时具有相当的优势。