“绿洲1号”高温发酵制备沼气及沼渣制浆技术研究

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本文以“绿洲1号”为原料,从不同生长时期“绿洲1号”的营养成分变化、高温发酵产沼气效果、产甲烷过程中菌群结构与功能的关系、“绿洲1号”及其沼渣制浆工艺四个方面,深入研究“绿洲1号”作为现代沼气产业和制浆原料的潜力,以及高温发酵产沼气过程中菌群结构和功能的关系,以期为“绿洲1号”的产业化利用提供理论依据和技术支撑。本文主要研究结果如下:(1)不同生长时期“绿洲1号”营养成分的变化“绿洲1号”在1~180d是快速生长时期,干物质在90d左右的时期达到最大积累速率,达到157.41g/株·月。随着生长时期的延长,“绿洲1号”的纤维素、半纤维素和木质素含量均呈现不断增加的趋势,在生长后期其综纤维含量高达85%左右。在前四个月中,碳水化合物含量表现为先增后降,最高含量为生长时期三个月时的10.1%;粗蛋白含量不断降低,由10.3%下降到4.3%;粗脂肪含量始终较低,维持在1.5%上下。(2)“绿洲1号”高温发酵产沼气效果不同生长时期的“绿洲1号”产气效果相差较大,前五个月的“绿洲1号”产气效果较好,比较适合作为发酵原料,尤其以生长时期2个月的“绿洲1号”最为合适,其总产气量和总产甲烷量分别达到了317.2mL/g TS和236.6mL/g TS。根据每月平均积累干物质的产气量,平均每株“绿洲1号”在生长3个月时积累的干物质产气达到49222.1mL,为最佳采收期。(3)高温发酵过程中菌群结构和功能研究“绿洲1号”高温发酵的过程中,最主要的细菌门是Firmicutes(厚壁菌门),其次是Proteobacteria(变形菌门);最主要的古菌门是Euryarchaeota(广域古菌门)。在“绿洲1号”高温发酵整个过程中优势细菌菌属是Sedimentibacter,在发酵前期和产气高峰期时另外一个优势细菌菌属是Tepidiphilus,在稳定产气阶段的另一个优势细菌菌属是Gelria。最主要的古菌菌属是Methanoculleus。纤维素含量在发酵第2天达到最大值52.90%,此时木质素含量28.35%,半纤维素含量始终维持在8.5%上下。半纤维素降解率最高,发酵结束时降解率达到了 41.78%。纤维素降解率为27.99%。降解率最低的是木质素,为14.46%。沼液中的有机酸以乙酸为主,在发酵第1天达到峰值,然后慢慢降低。在“绿洲1号”高温发酵过程中,细菌优势菌群总是与降解有机物、产乙酸和产氢功能有关,而古菌优势菌群总是与产甲烷功能有关。(4)“绿洲1号”及其高温发酵沼渣制浆工艺探究“绿洲1号”在其生长3个月纤维素含量达到43.30%,在其生长5个月后,纤维素含量维持在46.5%左右。在本文研究中摸索出“绿洲1号”及其沼渣化学法制浆参数:用碱量20%(以Na2O计);硫化度18%(以Na2O计);最高温度170℃,升温时间2h;保温时间70min;液比1:4,可制得较为理想的粗浆(草浆卡伯值21.5,黏度831;沼渣浆卡伯值17.3,黏度763)。“绿洲1号”及其沼渣超声波辅助制浆工艺如下,预处理:超声波频率20kHZ;温度100℃;用碱量3%(以Na2O计);硫化度3%(以Na2O计);预处理时间3h。煮浆:用碱量3%(以Na2O计);硫化度2%(以Na2O计);最高温度170℃,升温时间2h;保温时间1.5h;制得草浆卡伯值21.9,黏度837;沼渣浆卡伯值22.4,黏度782。
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