采用全自动甲烷潜力测试系统(AMPTS)和热重红外联用技术(TG-FTIR),对中温(37℃)下猪粪和稻草按不同挥发性固体(VS)比例(1:0、0:1、2:1、1:1、1:2、1:3)混合发酵产甲烷特性进行分析.AMPTS测试结果表明:稻草和猪粪混合比例为1:1时,发酵协同作用最好,实际甲烷产量比理论值提高了9.78％.TG-FTIR分析表明:1:1发酵时,残渣TG总失重率为47.84％,明显低于其它实验组;DSC曲线在250—350℃和400—550℃有2个明显放热峰,且1:1时放热量最少,说明该比例下有机物消耗最多,底物利用性更好,发酵稳定性更高;FTIR分析表明发酵残渣燃烧释放气体主要为水汽、CO2、NH3和少量挥发酸;200—350℃和400—550℃温区下CO2的峰值差异说明发酵中易消化有机物大量降解,残渣中较难氧化的芳香族结构和木质纤维素比例增加,发酵稳定性提高.研究结果阐明了混合厌氧发酵技术在农业废弃物甲烷化利用中的应用潜力及TG-FTIR技术在发酵产气特性及底物稳定性分析中的作用.

丙酮丁醇梭菌发酵生产ABE(丙酮-丁醇-乙醇)溶剂的传统原料是玉米淀粉,价格贵,生产基本亏损.重组毕赤酵母废弃物含有丰富的碳水化合物和蛋白质,有望替代淀粉原料.采用NaOH处理固态废弃毕赤酵母形成废酵母固/液悬浊液,发酵通过降低初始玉米粉用量并在ABE发酵进入到产溶剂期后添加废酵母悬浊液进行.对初始玉米粉用量、废酵母/NaOH投料量进行了优化,结果表明:它们的最佳用量分别为8％、80 g/L、6-10 g/L.在此条件下,100 mL厌氧瓶下的丁醇产量可以稳定在9.0-12.0 g/L的较高水平,比8％玉米粉培养基的对照提高80％-120％,与15％玉米粉培养基的对照基本持平;与对照组相比,总糖的利用效率可以从50％大幅提高到超过90％的水平;玉米粉用量可以节省57％以上;酵母废弃物最多有52％的碳水化合物可以有效地转化成气体/液体产物.本研究表明以玉米粉/废弃毕赤酵母为混合原料发酵丁醇,可以同时实现固体废物的资源化和减量化、淀粉原料的高效利用和节省化,提高了ABE发酵的综合经济性能.

利用前期筛选得到的优良果酒发酵菌种酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae,Sc)和东方伊萨酵母菌(Issatchenkia orientalis,Io),通过混合培养研究其生长规律;以山乌桕蜂蜜为主要发酵基质,通过感官评定和电子鼻比较了混合接种发酵和加曲发酵两种蜂蜜酒产品的感官特性和香气特征.结果 表明,在有氧条件纯培养时,Sc和Io在30 h达到最大生长量都为2.2×108 CFU/mL;而厌氧条件纯培养时,Sc在30 h达到最大生长量为3.5×10 7CFU/mL,Io在45 h达到最大生长量为0.5×107CFU/mL.在有氧混合培养45 h后,Sc和Io的最大生长量分别为10.2×107 CFU/mL和37.9×107 CFU/mL,Sc/Io比率呈下降趋势;在厌氧混合培养条件下,在同一发酵周期内,Sc和Io最大生长量分别为21×106 CFU/mL和1.4×106 CFU/mL,Sc/Io比率先(30 h)上升后下降;有氧培养条件下最大生长量明显高于厌氧培养.感官评定结果,加曲发酵法得分为66.4分,混合发酵法得分为78.2分,混合发酵酿制的蜂蜜酒口感较好,并保留了蜂蜜特有的蜜香.通过电子鼻系统对山乌桕蜂蜜汁和两种不同发酵方法生产的蜂蜜酒进行LDA(线性判别)分析、PCA(主成分)分析,其中LDA分析第一、第二主成分总的贡献率达100％,PCA主成分分析总贡献率为99.94％,表明发酵过程中山乌桕蜂蜜汁的风味发生了变化,且不同发酵方式的山乌桕蜂蜜酒香气具有差异.研究结果为开发利用天然植物资源的发酵精深加工与提高产品质量提供参考依据.

作物秸秆等植物源生物质是生物天然气(沼气)生产的重要原料,但因其固有的收获季节性、时效性等特点无法满足可持续供给的生产要求,必需进行跨季节贮存.为更好地衔接生物质原料贮存与沼气化利用环节,有效整合沼气工程的上下游关系,评述了生物质常见的干法保存和湿法保存方法,并根据原料形态特征差异性着重总结了常规青贮、半干青贮、黄贮、混合贮存等湿法贮存技术的研究现状,从乳酸菌剂、生物酶制剂、化学添加剂、复合添加剂等角度探讨了贮存过程的调控策略.最后,总结比较了青贮过程以及多元化调控策略对生物质原料产沼气(甲烷)性能的影响.目前,有关生物质青贮和青贮原料厌氧消化工艺的研究较为广泛,但由于生物质原料种类繁多,组分复杂多变,二者上下游之间的具体关联机制尚不完全明确,未来需要根据不同物料特性来揭示这种联系机制,并从源头上实现基于沼气生产的贮存过程调控,以期获得能量保存和能源转换的最大化.总之,湿法贮存是生物质原料长时间保存的重要方法,对生物天然气产业快速健康发展具有重要的科学价值和实际意义,沟通贮存与沼气发酵过程上下游之间的衔接机制是该领域未来的研究发展方向.

[背景]一些铁还原细菌具有异化铁还原与产氢的能力,该类细菌在环境污染修复的同时能够解决能源问题.[目的]从海洋沉积物中富集获得异化铁还原菌群,明确混合菌群组成、异化铁还原及产氢性质.获得海洋沉积物中异化铁还原混合菌群组成,分析菌群异化铁还原和产氢性质.[方法]利用高通量测序技术分析异化铁还原菌群的优势菌组成,在此基础上,分析异化铁还原混合菌群在不同电子供体培养条件下异化铁还原能力和产氢性质.[结果]高通量数据表明,在不溶性氢氧化铁为电子受体和葡萄糖为电子供体厌氧培养条件下,混合菌群的优势菌属主要是梭菌(Clostridium),属于发酵型异化铁还原细菌.混合菌群能够利用电子供体蔗糖、葡萄糖以及丙酮酸钠进行异化铁还原及发酵产氢.葡萄糖为电子供体时,菌群累积产生Fe(Ⅱ)浓度和产氢量最高,分别是59.34±6.73 mg/L和629.70-±11.42 mL/L.[结论]异化铁还原混合菌群同时具有异化铁还原和产氢能力,拓宽了发酵型异化铁还原细菌的种质资源,探索异化铁还原细菌在生物能源方面的应用.

[背景]生物丁醇是高效的液态燃料.丁醇发酵,也称丙酮-丁醇-乙醇(Acetone-Butanol-Ethanol,ABE)发酵,其发酵的产品是丁醇、丙酮和乙醇的混合物,主产物丁醇与主要副产物丙酮的质量比率(B/A比)约为2.0.[目的]丁酸是ABE发酵合成丁醇的重要前体物质,以丁酸/葡萄糖为双底物可以高效生产具有以高B/A比为特征的丁醇,提高ABE发酵产品的品质.[方法]7L厌氧发酵罐下,以玉米淀粉/废弃毕赤酵母处理液为原料得到的丁酸发酵上清液与葡萄糖溶液直接复配作为ABE发酵培养基,并按需要在发酵途中添加该上清液和浓缩葡萄糖溶液.[结果]与使用150 g/L玉米淀粉的传统ABE发酵相比,丁醇浓度保持在12.7-12.8 g/L的较高水平,B/A比从2.0大幅提高到4.4-5.0,丁醇对总碳源的得率从0.32-0.34提升至0.39-0.41(摩尔基准),丁酸/葡萄糖质量消耗比高达37％-53％.[结论]ABE发酵性能的改善得益于丁酸发酵上清液中丁酸、寡糖和氨基酸等得到了有效利用,NADH利用效率大幅提高.该发酵策略节省了ABE发酵的原料和操作成本,大幅降低了丁酸发酵上清液中残存的寡糖浓度,还可根据市场供需和产品价格变化的状况实现发酵产品的多样性和生产操作的灵活性,具有良好的经济和环保意义.

目的 为提高青霉素菌渣厌氧发酵效率.方法 以青霉素菌渣为原料,在(37±1)℃条件下厌氧发酵过程中添加Fe2+、Co2+、Ni2+及混合金属离子,分析其对青霉素菌渣厌氧发酵产气性能及动力学的影响.结果 3种金属离子的添加均可以显著提高甲烷产量和厌氧发酵效率,促进效果Fe2+＞Ni2+＞Co2+.修正的Gompertz方程模型拟合结果进一步说明适量金属离子的投加可有效提高最大产甲烷效率1.2倍,明显缩短青霉素菌渣批式厌氧消化的滞留期2～3d.结论 说明适当浓度金属离子的添加可有效提高系统发酵效率及运行稳定性,该研究将从外源添加微量金属离子的角度为提高菌渣产甲烷效率提供一定的基础数据和理论支持.

丙酸累积是影响厌氧消化系统稳定性的主要因素,为了考察酒糟厌氧消化过程中间代谢产物的累积情况,以总固体含量(TS)(质量分数)5％和7％的白酒糟为发酵原料进行了批次试验.结果表明,乙酸(最高浓度33～129 mmol/L)、丙酸(39～61 mmol/L)、丁酸(5～44 mmol/L)和15种氨基酸(0.01～0.3 mmol/L)为主要中间代谢产物.为了探究其中关键的丙酸降解菌群,以酒糟原始沼液JO为植种源,10 mmol/L丙酸和0.1 mmol/L混合氨基酸为复合碳源进行富集培养,获得中温厌氧丙酸-氨基酸培养系JO-AP.高通量测序分析表明,互营丙酸降解菌与厚壁菌门(Firmicutes)的丙酸厌氧降解菌(Pelotomaculum schinkii)近缘,16S rRNA基因相似性100％,占细菌总丰度的16.7％.对比酒糟原始沼液JO、丙酸培养系JO-P及丙酸-氨基酸培养系JO-AP中的主要功能菌群,发现采用单一碳源和复合碳源获得的优势互营丙酸降解菌不同;传统培养与分子生物学技术相结合可以更全面地掌握系统中的微生物群落组成.

为提高巢湖蓝藻的资源化利用率,以巢湖蓝藻为原料与干麦草,装填到厌氧发酵罐中,混合厌氧发酵产沼气.结果表明:干麦草:蓝藻(超声40 min):颗粒污泥为2:7:1时,产气效果最好,挥发性固体产气率为333.78 mL/g(VS),甲烷体积分数也最高,达到57％.对发酵液的pH、COD、NH3-N和产气量指标进行相关性分析,干麦草:蓝藻:颗粒污泥为2:7:1时,产气量与发酵液COD表现显著正相关;干麦草:蓝藻(超声40 min):颗粒污泥为2:7:1时,发酵液COD与发酵液NH3-N呈现显著正相关.研究结果为巢湖蓝藻资源化提供了一条新的解决思路.

为探究枸杞枝条固态厌氧发酵产生物饲料的潜在可能性,进行枸杞枝条的发酵前处理和发酵相关研究.开展了枸杞枝条二级粉碎处理、纤维素酶和漆酶预处理、发酵用乳酸菌和酵母菌菌株筛选以及枸杞枝条单独发酵和与枸杞加工废弃物混合发酵对比等研究.结果表明:经二级粉碎后,枸杞枝条粒度达10-30目;经1‰漆酶处理24 h,枸杞枝条中半纤维素降解率达40.78％,纤维素降解率达23.93％,木质素降解率达到28.38％;筛选到发酵用乳酸菌2株(Lactobacillus plantarum、Lactobacillus paracasei)和酵母菌2株(Saccharomyces cerevisiae、Candida utilis);枸杞枝条枸杞加工废弃物混合发酵后,发酵产物中乳酸含量(11.43 mg/g)、乙酸含量(4.65 mg/g)、乳酸菌数量(9.00 x 107 cfu/g)、酵母菌数量(2.37×104 cfu/g)、枸杞多糖含量(3.02％)均显著优于单独发酵,表明混合发酵更适合作为枸杞枝条发酵生物饲料的方式.毒性试验未出现小鼠死亡,表明枸杞枝条生物饲料无毒.综上所述,枸杞枝条经粉碎处理后与枸杞加工废弃物混合发酵后可成为生物饲料,该生物饲料无毒、安全,能用于动物饲喂;研究结果可为其他中药材种植废弃物资源化处理提供思路和技术指导.