植物秸秆糖化技术及其生物产氢研究进展

利用植物秸秆进行糖化降解以及产氢的研究.介绍植物秸秆的化学组成与特性,包括植物秸秆的糖化过程,总结了植物秸秆产氢的能力和发展现状.     

新菌X9协同B49同步发酵纤维素产氢能力分析

目的 为了加快生物制氢工业化进程,分析纤维素降解产氢新菌Clostridium sp.X9(梭杆菌,NCBI注册号:EU434651,简称X9)协同Ethanoigenens barbinense B49(哈尔滨产乙醇杆菌,NCBI注册号:AF481148,简称B49)同步发酵纤维素产氢的能力.方法 从连续流发酵产氢反应器(ZL92114474.1)中新分离筛选出一株高效纤维素降解产氢细菌X9和一株试验室已有的高效乙醇型发酵产氢细菌B49,采用两菌种复合培养方式同步降解酸化汽爆玉米秸秆发酵产氢.结果 复合菌种X9和B49比单一菌种具有更高的降解玉米秸秆产氢的能力,两菌种间存在协同降解产氢效应.两菌种以体积比(1:1)复配,接种量10%,40℃复合培养,协同降解玉米秸秆产氢24 h的最大单位体积产氢量(YH2)和玉米秸秆降解率分别为1530 ml/L和61.8%.结论 复合菌种X9和B49在利用玉米秸秆类可再生生物质纤维素发酵产氢方面具有很好的工业化应用潜力.     

复合菌群降解玉米秸秆协同产氢特性

为加快生物制氢工业化进程,利用玉米秸秆这类来源广泛、储量巨大和价格低廉的可再生生物质纤维素资源作为发酵产氢的原料,从连续流发酵产氢反应器(ZL92114474.1)中新分离筛选出一株高效纤维素降解产氢细菌Clostridium sp.X9(NCBI注册号:EU434651)和一株高效产乙醇发酵产氢细菌Ethanoigenens harbinenseB2(NCBI注册号:EU639425),通过构建高效降解纤维素发酵产氢复合菌群进行同步降解玉米秸秆发酵产氢.结果表明,对玉米秸秆进行酸化汽爆预处理后可以显著提高复合菌群的产氢能力.复合菌群X9和B2比单一菌种具有更理想的降解玉米秸秆发酵产氢的能力,两菌种间存在协同产氢效应.复合菌群X9和B2降解玉米秸秆发酵产氢获得的最大产氢率和玉米秸秆降解率分别为8.7mmol/g和74%.液相代谢末端产物主要为乙醇、乙酸和丁酸.这说明复合菌群X9和B2在以木质纤维素为发酵底物的工业化生物制氢领域中具有很好的应用发展前景.     

利用玉米秸秆生产酵母蛋白的研究

以水解纤维素性能优良的AnigerHS-16菌株为生产菌,利用厚层通风固体发酵法糖化玉米秸秆纤维素,其发酵作用的最适pH是5.5,最适温度是35℃,发酵完成后的还原糖生成率可达26%.用上述玉米秸秆糖化粉制备的还原糖液做碳源,通过摇瓶培养生产酵母蛋白(SCP),每100mL糖化液(含还原糖2%)的酵母细胞产量(干重)可达1.2g,干酵母细胞蛋白质含量为45.6%.     

利用玉米秸秆生产酵母蛋白的研究

以水解纤维素性能优良的Aniger HS-16菌株为生产菌,利用厚层通风固体发酵法糖化玉米秸秆纤维素,其发酵作用的最适pH是5．5,最适温度是35℃,发酵完成后的还原糖生成率可达26％。用上述玉米秸秆糖化粉制备的还原糖液做碳源,通过摇瓶培养生产酵母蛋白（SCP）,每100mL糖化液（含还原糖2％）的酵母细胞产量（干重）可达1．2g,干酵母细胞蛋白质含量为45．6％。     

复合菌剂预处理玉米秸秆及厌氧发酵产沼气

对比研究了9组不同配比的复合菌剂预处理玉米秸秆及厌氧发酵产沼气的效果,采用秸秆失重率及木质纤维降解率分析复合菌剂的降解能力,并通过沼气和甲烷的产量分析复合菌剂的产气性能.研究结果表明,D4组秸秆失重率及木质纤维素降解率最高,其次为I9组.30d的发酵周期内,I9菌剂处理后秸秆厌氧发酵效果最好,出现两个产气和产CH4的高峰期,累积产气量和产CH4量分别提高36.6%、39.0%,这说明采用合适的菌剂配比预处理秸秆能较大地提高厌氧发酵的产气量和消化效率.D4组秸秆木质纤维降解率虽最高,但产气并不是最高的,这说明降解率和产气量并不成正比.根据产气要求,选择最佳复合菌剂的配比为I9组,即复合菌、真菌、放线菌及细菌、绿色木霉的体积比为3∶3∶2∶1.     

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.     

玉米秸秆纤维素降解工艺研究

玉米秸秆中粗纤维含量达33.4%,纤维素降解后制备的还原糖可作为发酵工业的碳源。为了提高纤维素的降解效率,以风干后的玉米秸秆为主要原料,还原糖得率为评价指标,采用微波-超声波辅助、稀硫酸和纤维素酶协同作用降解玉米秸秆中的纤维素,通过单因素实验和正交实验优化降解工艺。分别分析了微波时间、超声波时间、稀硫酸浓度、纤维素酶添加比例和纤维素酶反应时间对纤维素降解的影响。实验结果表明：纤维素酶添加比例28 mg/g、酶解时长3h、超声波处理时长40 min、微波处理时长60 s、稀硫酸浓度为2%时秸秆纤维素降解效果最好,还原糖得率为37.8%。     

秸秆降解菌株CKB的降解特性与机理

从常年水稻种植土壤中筛选出1株能够高效降解秸秆的菌株CKB,经过ITS序列分析鉴定为黑曲霉（Aspergillus niger）。在常温正常土壤环境中,秸秆经该菌35 d降解,失重率可达49%。进一步考察了CKB对于纤维素和木质素的降解能力,72 h时纤维素转化葡萄糖质量浓度为0.554 g/L,木质素降解量达到0.607 g/L;同时也考察了不同底物质量浓度、pH、温度对于纤维素和木质素降解效果的影响。通过SEM观察秸秆降解前后的结构变化,并利用Pyrolysis⁃GC/MS手段对降解产物进行检测与表征,证明了秸秆腐化变黑产物为腐殖酸的经典组分,且CKB在低温环境也有良好的降解效果,阐释了黑曲霉CKB的秸秆降解机理。     

秸秆降解菌的筛选及菌种组合

秸秆直接还田会给作物生长带来不利影响,在还田过程中补加纤维素降解菌剂是解决其不利影响的有效方法.通过平板初筛及酶活综合测定及秸秆降解率测定复筛,从腐烂秸秆、牛粪堆肥、森林土等样品中筛选到5株高效纤维素降解菌,其中X1菌的酶活最佳,酶系组成最合理,其Cx,Cb,C1和FPA分别达到53.6 U/mL、69.7 U/mL、9.5 U/mL和11.6 U/mL,对秸秆的降解率达40.2%.进一步进行菌种组合,得到了一组秸秆降解率有明显增加的复合菌X1+X2,其降解率达到45.5%.根据X1和X2的菌落及个体形态特征,初步判定其均为青霉菌.     

青霉T24-2降解甘蔗渣及发酵产氢的研究

通过单因素试验及正交试验对青霉（Penicilliumsp.）T24-2产纤维素酶及酶解甘蔗渣的条件进行优化,并分析了产酸克雷伯氏菌（Klebsiella oxytoca）HP1利用甘蔗渣糖化液产氢的特性。单因素试验结果表明,蔗渣/麸皮质量比、曲酶/蔗渣质量比、固（曲酶＋蔗渣）/液（水）质量比、糖化时间是影响产纤维素酶和蔗渣糖化率的主要因素。经正交试验并考虑大规模应用时的成本,确定青霉T24-2固态发酵产纤维素酶的最佳蔗渣/麸皮质量比为4∶6。利用曲酶对甘蔗渣进行糖化的最佳条件为：曲酶/蔗渣质量比为1∶3,固（曲酶＋蔗渣）/液（水）质量比为1∶3,糖化时间为20h,在此条件下甘蔗渣糖化率可达43.6%。产氢试验表明产酸克雷伯氏菌HP1利用甘蔗渣糖化液,每克甘蔗渣产氢可达41.0mL。研究表明青霉T24-2是一株较好的产纤维素酶菌株,可应用于纤维素生物质的开发与利用。     

蜡样芽孢杆菌对稻草的降解作用

为了研究一株蜡样芽孢杆菌(Bacillussp.X10-1-2)对稻草的降解作用,测定了发酵过程中发酵液的纤维素酶和半纤维素酶活、可溶性总糖和还原糖浓度以及底物残渣重、残渣结晶度、傅立叶红外光谱和表面结构的变化.发现在发酵过程中蜡样芽孢杆菌菌体产酶的过程也就是木质纤维素的降解糖化过程.上清液中的纤维素酶活和半纤维素酶活分别在发酵进行到第8 h和20 h时达到最高峰.总糖含量于4 h达到最高值,然后下降到一定程度后保持恒定.还原糖含量随发酵进行不断下降,达到一定值后保持恒定.该菌株对稻草长达5 d的降解过程中结晶度变化十分显著,第3 d时达到最高峰,而后又迅速下降.此菌株对稻草中各组分都有一定降解,其中纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为3.35%、0.91%和2.81%.该菌株主要降解稻草的薄壁细胞,使薄壁细胞发生严重皱缩.这预示,该菌株在造纸工业具有良好的应用前景.     

玉米秸秆的生物降解效果研究

分析不同菌种对玉米秸秆的降解效果,生产出易于消化和吸收的高蛋白饲料.选育白腐真菌、黑曲霉、绿色木霉等分别进行糖化与发酵,最佳发酵条件为温度35℃,时间60h.研究结果表明,白腐真菌＋黑曲霉＋绿色木霉的组合菌发酵效果优于单菌种发酵.     

木薯酒精浓醪发酵糖化条件的研究

利用木薯进行酒精浓醪发酵,对其中糖化工艺的条件进行了优化,得出优化后的糖化条件为：糖化pH值为4.5,糖化酶加入量为150 U/（g木薯粉）,糖化温度为60℃,糖化时间为30min.在此糖化工艺条件下,三角瓶静态发酵的最高酒份可达16.4%（V/V）,淀粉利用率为90.68%.     

离子液体/水混合体系预处理过程对秸秆组成与结构的影响

研究了离子液体/水体系预处理大豆秸秆对其组成、结构的影响,并对预处理后的秸秆进行了纤维素酶解。结果表明,秸秆中木质素、纤维素和半纤维素含量随着离子液体质量分数减少先降低后增加。3种组分在离子液体质量分数为80%时达到最低点,纤维素是81.14%,半纤维素是60.94%,木质素是71.64%。该预处理过程可以打开秸秆细胞壁上的纹孔并将大部分木质素移除,增加溶剂可及性,同时它还可以降低纤维素结晶度,有利于纤维素酶解,其糖化率在离子液体为80%达到最高,为71.1%。     

微波辐射下玉米秸杆酸水解糖化的研究

在微波辐射条件下,对玉米秸杆进行酸水解糖化实验,考察了硫酸质量分数、液固比、微波辐射时间、 压强、功率等因素对还原糖收率的影响。实验结果表明,微波辐射条件下,随着硫酸质量分数、固液比、辐射时间、压 强、功率的变化,还原糖收率都存在着一个先增加后减少的趋势。硫酸质量分数2%、液固比15.0、微波辐射时间40 min、压强0.3MPa、功率225.0W,在此条件下玉米秸杆酸水解还原糖收率达到最大值为21.8% 。     

纤维乙醇发酵工艺的比较及放大试验研究

为了得到高效的纤维乙醇发酵方式,在酶解和发酵适宜的条件下,以汽爆玉米秸秆为原料对分步糖化发酵、同步糖化发酵、预酶解补料批式糖化发酵和变温同步糖化发酵生产乙醇的4种工艺进行了对比研究.试验表明:变温同步糖化发酵效率较高,其乙醇体积分数为4.98%,比同步糖化发酵提高了7.56%,比预酶解分批补料糖化发酵提高了12.60%,比分步糖化发酵提高了23.07%.在50 L发酵罐内进行了变温同步糖化发酵的放大实验,乙醇体积分数为4.26%;同时对放大实验中酵母浓度随时间的变化关系、残糖浓度随时间的变化关系和乙醇的体积分数随时间的变化关系进行了考察.     

秸秆资源化制取生物絮凝剂

目的探讨不同预处理的方法,找到合适的预处理条件,利用秸秆制取生物絮凝剂．方法采用不同质量分数的酸碱进行秸秆预处理试验,在此基础上采用两段式发酵方法制取生物絮凝剂．结果碱液预处理后粗纤维素含量明显增加,而酸处理后粗纤维素含量增幅很小．碱液质量分数越高越有利于提高粗纤维素含量,高温加热处理也可提高粗纤维素含量;碱液处理后稻草降解率最高可达72．47％,而酸液处理后稻草降解率最高可达44．06％;0．5％稀碱处理后的稻草降解率要高于1％碱处理后的稻草．结论从微生物利用难易程度和实际生产的角度考虑,预处理用0．5％碱来实现是较好的选择,采用此预处理方法制取的生物絮凝剂絮凝率可达到90％以上．预处理是秸秆降解的关键技术条件,秸秆经过有效地预处理后,可以作为廉价原料生产絮凝剂．     

嵌入式啤酒糖化集散控制系统的研制

结合集散式控制系统的特点,设计了一种嵌入式啤酒糖化控制系统.该系统采用自主研发的智能化SOC嵌入式数据终端处理器作为控制终端,通过远程定标的方法实现现场检测、高精度的控制.采用时间隧道数据处理的方法而使数据处理系统化,提高了系统的稳定性.系统结构可梯次扩展,与计算机组网.实践证明,该系统不仅成本低、功能强,而且灵活、可靠.     

啤酒糖化温度DMC-PID预测控制方案

啤酒糖化温度对象具有大惯性滞后,工艺要求该参数要快速跟踪工艺设定且无超调,常规PID算法显然难以满足这些需求。针对加热蒸汽压力频繁波动的特点,将预测控制算法与串级控制相结合,设计了糖化温度DMC-PID串级控制系统。仿真结果表明,该系统与常规PID控制系统相比既具有较好的随动跟踪性能,又无超调,且具有较强的抗干扰性。