论文部分内容阅读
将木质纤维素原料转化为生物能源是解决能源危机的重要途径。本文针对木质纤维素原料水解过程中的主要问题展开研究。首先依据复合菌系的产酶规律,优化产酶条件,得到一组适合在液体中生长,并且能够有效分泌胞外酶的微生物复合菌系WSD-5。结果发现在通气量为4L/mmin、不搅拌、3%的底物添加量下可以获得最高活性的粗酶液,其中CMC酶活为3.43IU/ml、木聚糖酶活为15.18IU/ml。进一步探究该复合酶系对木质纤维素原料的酶解糖化和酸化能力,结果发现酶解3%底物添加量的小麦秸秆产生3254mG/L的还原糖；酸化第二天sCOD达到峰值,为4345mg/L,将酸化后的样品进行厌氧发酵,其产气量和产甲烷含量分别高于未酸化样品的22.3%和32.3%。通过复合菌系的产酶规律及性质,建立了“中温产酶高温糖化”的技术体系,根据此技术体系酶解小麦秸杆产生的总还原糖浓度为中温发酵时的15倍以上。同时发现复合菌系WSD-5酶解半纤维素含量高的木质纤维素原料的能力强,且半纤维素含量与酶解转化率具有正相关关系。将复合菌系对天然木质纤维素原料具有快速分解溶化的能力应用于生物预处理中。利用MCl、WSD-5和XDC-2预处理小麦秸秆,通过酶解转化率探究预处理时间对小麦秸秆纤维素转化率的影响。在低等和高等酶添加量,小麦秸秆经WSD-5预处理3天和7天的纤维素转化率最大,分别为24.1%和76.3%。在中等酶添加量下,MC1预处理13的小麦秸秆获得最高的纤维素转化率,为56.1%。以这三种复合菌系预处理象草,并连接后续的酶解糖化和甲烷发酵实验,以酶解总转化率和产气量评估复合菌系的预处理能力。结果显示,经WSD-5预处理13天的象草在低等酶添加量下得到最高的总转化率为43.3%；MC1预处理7天的象草在中、高等酶添加量下分别得到65.9%和83.2%的最高总转化率。经MCl、WSD-5和XDC-2预处理的象草的最高产甲烷量分别为未处理象草的1.39、1.49和1.32倍。发现了不同的纤维素和半纤维素含量及发酵温度对产甲烷效率的影响规律。在甲烷发酵过程中,高温厌氧发酵体系对纤维素和半纤维素的缓冲能力强、水解快。在中温条件下,厌氧发酵体系对半纤维素成分的水解显著快于纤维素。发酵温度和接种污泥来源对半纤维素的分解影响较小,而对纤维素的水解有显著的影响。在高温下,各底物所产生的总沼气产量和甲烷产量均高于中温厌氧发酵。当纤维素比半纤维素为4：0和3：1时,产甲烷量分别为1763.4和1588.2m1。而半纤维素含量较多的底物(纤维素：半纤维素为1：3和0：4)在中温厌氧发酵条件下产生的甲烷量与高温差异不显著,产甲烷量分别为1547.3和1301.7ml。不同的污泥来源和发酵温度对厌氧发酵体系的细菌群落影响较大,在污泥L中拟杆菌门和螺旋菌门含量多,而在污泥W和污泥L-50中厚壁菌门含量多。在污泥L中,底物性质单一的微生物多样性更丰富,在污泥W中,半纤维素含量多的微生物多样性更高,而在L-50中底物性质相对复杂的微生物丰富度更高。