【摘 要】
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利用废弃生物质进行微生物发酵制备生物燃料,对于我国开发可再生能源,调整能源结构,实现碳达峰和碳中和的目标具有重要意义。为使木质纤维素发酵产氢产甲烷产量和产率进一步提高,同时进一步降低生产成本,本论文以废弃生物质甘蔗渣为原料开展木质纤维素生物转化生产生物燃料的研究,建立了基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化的甘蔗渣厌氧发酵系统,通过工艺优化显著促进了甘蔗渣厌氧发酵联产氢气和甲烷,提高了甘蔗渣能源化利用效
【基金项目】
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国家自然科学基金项目51908140＆51878291； 广州市科技计划项目202002030137；
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利用废弃生物质进行微生物发酵制备生物燃料,对于我国开发可再生能源,调整能源结构,实现碳达峰和碳中和的目标具有重要意义。为使木质纤维素发酵产氢产甲烷产量和产率进一步提高,同时进一步降低生产成本,本论文以废弃生物质甘蔗渣为原料开展木质纤维素生物转化生产生物燃料的研究,建立了基于嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化的甘蔗渣厌氧发酵系统,通过工艺优化显著促进了甘蔗渣厌氧发酵联产氢气和甲烷,提高了甘蔗渣能源化利用效率;通过生物炭结构和特性分析,结合发酵过程微生物群落分析,阐明了嗜热解糖厌氧杆菌与生物炭强化产氢和产甲烷的机理。从自然生境河底和树林中采集样品,厌氧条件下富集培养纤维素降解菌群。其中,从河底污泥中富集得到了以Ruminiclostridium为优势菌种,稳定且高效的降解产氢菌群。以具有高效产氢能力的纯菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum MJ2对获得的河底污泥菌群进行生物强化,优化出MJ2按60%接种占比与菌群同时接种到10 g/L甘蔗渣体系中得到最佳产氢效果。最优条件下,MJ2生物强化的最大氢气产量达到115.28m M,比对照增加了100.17%,并且氢气得率从219.69 m L H2/g PSCButilized提高到405.29m L H2/g PSCButilized。基于“以废治废”的理念,将榕树落叶制得的生物炭FML6作为添加剂投加到MJ2生物强化河底污泥菌群的暗发酵产氢系统中,建立了生物炭强化体系。生物炭的添加使最大产氢潜能从2469.60 m L/L显著提高到3365.15 m L/L,甘蔗渣降解率从64.26%提高到90.83%。FML6的添加使纤维素酶、氢化酶和电子转移系统的活性分别提高了12.13%、25.23%和32.32%,降低了体系的氧化还原电位,提高了系统的缓冲能力,刺激了微生物的生长和代谢。微生物群落分析表明,MJ2生物强化显著增加了Thermoanaerobacterium的相对丰度,从2.05%增加到25.08%。添加FML6生物炭则进一步富集到46.58%,这对于氢气产量的增加具有显著作用。PICRUSt分析表明,MJ2与生物炭共强化促进了碳水化合物代谢和膜转运等与底物利用和微生物活性相关的代谢途径。采用FeCl3溶液浸泡-热解法制备的磁性生物炭Fe-FML6比FML6更能促进产氢废液厌氧发酵产甲烷,且大大提高了最大产甲烷速率。Fe-FML6组的最终甲烷产量比FML6组和对照组分别提高了53.28%和70.92%。Fe-FML6提高了生物量,促进了产甲烷菌对底物乙酸和丁酸的利用效率,显著提高了导电菌毛pil A基因的相对丰度。Fe-FML6的添加显著富集了潜在直接种间电子传递微生物Syntrophomonas和Methanosarcina,增强了氢营养型产甲烷途径。能量回收分析表明,通过嗜热解糖厌氧杆菌MJ2和生物炭强化两阶段发酵联产氢气和甲烷,最终1 kg甘蔗渣可获得15.84 MJ的能量,有效提高了能量回收效率,为实现高效经济的生物质资源化利用奠定了基础。
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