酒精—沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘要】：生物質(zhì)酒精是發(fā)酵工業(yè)中最主要的大宗發(fā)酵產(chǎn)品之一，其生產(chǎn)過(guò)程面臨著能耗大、耗水量多和廢水處理成本高等突出問(wèn)題，這在發(fā)酵工業(yè)中非常具有代表性。而我們依據(jù)發(fā)酵生態(tài)工程學(xué)原理建立的“酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)”則有望解決這些問(wèn)題，并為整個(gè)發(fā)酵工業(yè)的清潔生產(chǎn)提供借鑒。本論文在已有的研究基礎(chǔ)上，以推動(dòng)酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)酒精產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，豐富發(fā)酵生態(tài)工程學(xué)基本理論并為其在發(fā)酵工業(yè)的廣泛應(yīng)用架構(gòu)科學(xué)的方法論為目標(biāo)，建立和評(píng)估了玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)，解析了耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)中厭氧消化微生物群落結(jié)構(gòu)，研究了關(guān)鍵生態(tài)因子對(duì)耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的影響并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，最后對(duì)耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了中試研究。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下： 1.在厭氧消化和酒精發(fā)酵效果、物質(zhì)平衡、酒糟蛋白飼料（DDG）質(zhì)量、能量核算等方面對(duì)建立的玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。循環(huán)過(guò)程中，酒糟清液的厭氧消化處理穩(wěn)定高效，各批次酒精發(fā)酵正常，且系統(tǒng)在第7批后達(dá)到平衡狀態(tài)。DDG比傳統(tǒng)的干磨工藝得到的DDGS具有更高的質(zhì)量，循環(huán)批次所得DDG與第一批DDG在粗脂肪含量和氣味上表現(xiàn)出一定的差異。耦聯(lián)系統(tǒng)的凈能量平衡比為1.76，明顯高于傳統(tǒng)工藝的1.26。 2.利用454焦磷酸測(cè)序和實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)解析了玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)中厭氧消化微生物群落結(jié)構(gòu)。高溫污泥和中溫污泥都表現(xiàn)出豐富的微生物多樣性，但二者在結(jié)構(gòu)上存在較大差異，其細(xì)菌、古菌和真核生物的豐度比值分別為1005:74:1和523:77:1。高溫污泥中檢測(cè)出的已知細(xì)菌菌屬有90種，主要分布于Nitrospirae、Chloroflexi、Thermotogae、Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes等菌門。中溫污泥中有已知細(xì)菌菌屬106種，主要分布于Chloroflexi、Bacteroidetes、Firmicutes、Proteobacteria、Nitrospirae等菌門。兩種污泥共有的細(xì)菌菌屬有52種。古菌群落中Euryarchaeota（門）在兩種污泥中都占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，且檢測(cè)出的10種已知菌屬全部屬于Euryarchaeota，而高溫污泥和中溫污泥分別有9和7種，其中豐度最大的菌屬為專性乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanosaeta。對(duì)于真核生物，高溫污泥中真菌占已知屬的99%，僅有1%左右的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，而中溫污泥中則以原生動(dòng)物和后生動(dòng)物為主（81.4%）。另外，考察飼料中需要檢測(cè)的致病菌在兩種污泥中的存在情況，發(fā)現(xiàn)除Shigella（僅占總序列的0.05%）存在于高溫污泥中外，其他致病菌在兩種污泥中都不存在。 3.研究了氨氮等關(guān)鍵生態(tài)因子對(duì)酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的影響。厭氧消化出水中高濃度氨氮促使更多的糖用于酵母生長(zhǎng)和甘油合成從而降低了酒精產(chǎn)率，而在液化和滅菌過(guò)程中氨氮與還原糖之間的美拉德反應(yīng)微弱，不會(huì)引起發(fā)酵體系中總糖的減少。厭氧消化出水中的非氨物質(zhì)能促進(jìn)酵母生長(zhǎng)，但是不影響酒精產(chǎn)率。因此需要對(duì)厭氧消化出水中的氨氮濃度進(jìn)行控制，且不同的酒精發(fā)酵原料，控制的標(biāo)準(zhǔn)不同：對(duì)于玉米原料，氨氮的濃度需要控制在300mg·L-1以下，而木薯原料則需為400mg·L-1以下。當(dāng)厭氧消化出水中氨氮的濃度得到有效控制時(shí)，可取代尿素作為酒精發(fā)酵的氮源，從而降低額外添加氮源的生產(chǎn)成本。 4.針對(duì)影響耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵生態(tài)因子，提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案并進(jìn)行了驗(yàn)證研究。首先提出了一種新型的適用于厭氧消化出水的脫氨工藝，并且確定了脫碳過(guò)程所需的溫度和氣液比，采用中心組合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析建立了氨吹脫條件模型。其次，構(gòu)建了雙環(huán)形生態(tài)系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中酒糟清液最佳的回用比例為40%，在此情況下消除了硫酸的使用，避免了硫酸鹽對(duì)系統(tǒng)的影響，并且提高了酒精的產(chǎn)率。最后，提出了酒精-沼氣（一級(jí)高溫厭氧消化）雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)以進(jìn)一步降低投資和運(yùn)行成本，系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中，循環(huán)批次的酒精發(fā)酵速率和酒精產(chǎn)率均高于空白對(duì)照，而高溫厭氧消化出水中較高的揮發(fā)性有機(jī)酸和氨基酸濃度是造成這種結(jié)果的主要原因，但是高溫厭氧消化出水中的懸浮物濃度較大，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中較難去除，因此還需開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的懸浮物去除方法以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的應(yīng)用。 5.分別對(duì)玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)和雙環(huán)形生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了中試研究以支撐小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果并為后期的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。對(duì)于玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)，兩級(jí)厭氧消化反應(yīng)器運(yùn)行正常，酒精發(fā)酵罐上進(jìn)行的循環(huán)批次發(fā)酵所得的平均酒精度和第一批相當(dāng)，系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和自我恢復(fù)能力，另外DDG作為飼料添加劑對(duì)豬的生長(zhǎng)無(wú)影響。同步小試酒精發(fā)酵結(jié)果顯示酒精產(chǎn)量與厭氧消化出水中氨氮的濃度緊密相關(guān)，進(jìn)一步說(shuō)明了系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中氨氮濃度控制的重要性。在雙環(huán)形生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程中，無(wú)需額外使用硫酸，并且對(duì)于厭氧消化出水所需達(dá)到的脫氨要求也得到降低。同步小試酒精發(fā)酵結(jié)果表明混合水配料的酒精發(fā)酵平均酒精產(chǎn)量高于空白對(duì)照，酒糟的厭氧消化處理過(guò)程不受影響。中試成果通過(guò)了中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)主持的技術(shù)鑒定，鑒定結(jié)論：本項(xiàng)目綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 【關(guān)鍵詞】：發(fā)酵生態(tài)工程學(xué) 酒精 厭氧消化 微生物群落結(jié)構(gòu) 生態(tài)因子
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TQ920.6
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-8
• 目錄8-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)11
• 1.2 生物質(zhì)酒精11-19
• 1.2.1 生物質(zhì)酒精發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)11-12
• 1.2.2 生物質(zhì)酒精生產(chǎn)原料與技術(shù)12-13
• 1.2.3 生物質(zhì)酒精面臨的問(wèn)題和相關(guān)研究?jī)?nèi)容13-14
• 1.2.4 生物質(zhì)酒精生產(chǎn)廢水處理技術(shù)14-19
• 1.3 生態(tài)工程19-20
• 1.3.1 生態(tài)工程的產(chǎn)生19
• 1.3.2 生態(tài)工程原理19-20
• 1.4 本論文主要研究?jī)?nèi)容20-23
• 1.4.1 立題依據(jù)和研究意義20-21
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容21-23
• 第二章 玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建與評(píng)估23-39
• 2.1 前言23-24
• 2.2 材料與方法24-26
• 2.2.1 菌株和材料24
• 2.2.2 酒精發(fā)酵種子培養(yǎng)24
• 2.2.3 酒精發(fā)酵培養(yǎng)基制備與發(fā)酵24-25
• 2.2.4 酒糟處理25
• 2.2.5 玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)流程25
• 2.2.6 分析方法25-26
• 2.3 結(jié)果與討論26-38
• 2.3.1 循環(huán)過(guò)程酒糟清液性質(zhì)與物質(zhì)平衡分析26-28
• 2.3.2 循環(huán)過(guò)程兩級(jí)厭氧消化反應(yīng)器的運(yùn)行28-30
• 2.3.3 循環(huán)過(guò)程酒精發(fā)酵30-32
• 2.3.4 酒糟蛋白飼料分析32-36
• 2.3.5 玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)能量核算36-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第三章 酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)厭氧消化微生物群落結(jié)構(gòu)分析39-63
• 3.1 前言39-40
• 3.2 材料與方法40-43
• 3.2.1 材料40
• 3.2.2 DNA 提取40
• 3.2.3 16/18S rRNA 基因擴(kuò)增與 PCR 產(chǎn)物純化40-41
• 3.2.4 454 焦磷酸測(cè)序和生物信息學(xué)分析41-42
• 3.2.5 實(shí)時(shí)定量 PCR 分析42-43
• 3.3 結(jié)果與討論43-62
• 3.3.1 細(xì)菌群落分析43-55
• 3.3.2 古菌群落分析55-58
• 3.3.3 真核生物群落分析58-59
• 3.3.4 實(shí)時(shí)定量 PCR 定量分析污泥樣品中微生物59-61
• 3.3.5 高溫/中溫污泥致病菌分析61-62
• 3.4 本章小結(jié)62-63
• 第四章 酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵生態(tài)因子的研究63-73
• 4.1 前言63-64
• 4.2 材料與方法64
• 4.2.1 菌株和材料64
• 4.2.2 酒精發(fā)酵種子培養(yǎng)64
• 4.2.3 酒精發(fā)酵培養(yǎng)基制備與發(fā)酵64
• 4.2.4 分析方法64
• 4.3 結(jié)果與討論64-72
• 4.3.1 氨氮對(duì)酒精發(fā)酵的影響64-70
• 4.3.2 厭氧消化出水中非氨物質(zhì)對(duì)酒精發(fā)酵的影響70-72
• 4.4 本章小結(jié)72-73
• 第五章 酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化73-88
• 5.1 前言73
• 5.2 材料與方法73-75
• 5.2.1 菌株和材料73
• 5.2.2 酒精發(fā)酵種子培養(yǎng)73-74
• 5.2.3 酒精發(fā)酵培養(yǎng)基制備與發(fā)酵74
• 5.2.4 酒糟處理74
• 5.2.5 雙環(huán)形和酒精-沼氣（一級(jí)高溫厭氧消化）雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)流程74
• 5.2.6 厭氧消化出水脫氨74-75
• 5.2.7 分析方法75
• 5.3 結(jié)果與討論75-87
• 5.3.1 厭氧消化出水中氨的脫除75-79
• 5.3.2 雙環(huán)形生態(tài)系統(tǒng)研究79-85
• 5.3.3 酒精-沼氣（一級(jí)高溫厭氧消化）雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)85-87
• 5.4 本章小結(jié)87-88
• 第六章 酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)中試研究88-97
• 6.1 前言88
• 6.2 材料與方法88-91
• 6.2.1 中試規(guī)模與裝備88-89
• 6.2.2 中試方案89-90
• 6.2.3 菌株和材料90
• 6.2.4 操作方法90-91
• 6.2.5 分析方法91
• 6.3 結(jié)果與討論91-95
• 6.3.1 玉米酒精-沼氣雙發(fā)酵耦聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)中試運(yùn)行91-93
• 6.3.2 雙環(huán)形生態(tài)系統(tǒng)中試運(yùn)行93-95
• 6.4 本章小結(jié)95-97
• 主要結(jié)論與展望97-99
• 創(chuàng)新點(diǎn)99-100
• 致謝100-101
• 參考文獻(xiàn)101-116
• 附錄：作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文116

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