α-淀粉酶对猪粪厌氧发酵产甲烷的影响及动力学分析
发布时间：2021-10-29 09:47
为有效提高厌氧发酵底物的生物产甲烷效率（BDA）,探析外源水解酶对厌氧发酵产甲烷过程的影响效应,该研究以猪粪为发酵底物,添加外源α-淀粉酶,采用2种模型拟合厌氧发酵过程。研究显示:在适当范围内添加α-淀粉酶(添加量≤30 mg·g-1)对猪粪厌氧发酵产甲烷具有促进作用,α-淀粉酶的添加量与甲烷产率增加呈正相关性。α-淀粉酶添加量为30 mg·g-1的试验组对甲烷产率的促进作用最为显著,其日产气峰值,甲烷产率,BDA,最大反应速率分别为13 829 mL,384.9 mL·g-1VS,69.69%,32.63 mL·g-1d-1,与对照组比分别提高了18.1%,22.1%,22.1%,24.6%,厌氧发酵过程符合Gompertz模型（R2=0.999 5）。
【文章来源】：中国沼气. 2020,38(06)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
总挥发性脂肪酸浓度变化曲线
图4为沼气中甲烷体积分数变化曲线图,该体积分数的变化是厌氧发酵过程中不同微生物菌群之间相互作用的结果。由图4可以看出,甲烷体积分数先呈现快速增长而后趋于稳定,末期则逐步降低。在厌氧发酵的第2～3天,各试验组甲烷体积分数就已经大于50%,均进入正常产气状态。CK组的甲烷体积分数从第4天起就进入稳定期,至第26天结束,共保持了23 d,甲烷体积分数60.4%～70.4%;30 mg·g-1试验组的稳定期最长,从第3天持续到第29天,甲烷体积分数61.6%～70.6%,比CK组略有增加,试验组添加的α-淀粉酶使厌氧发酵系统中可利用的糖类物质增加,提高了系统中甲烷途径中碳物质浓度,促进最终产物甲烷体积分数的提升。2.2.3 α-淀粉酶对甲烷产率的影响
图5为各试验组累积甲烷产率曲线图。由图5可知,CK组的累积甲烷产率最低(315.4 mL·g-1VS)。杜连柱[11]等研究发现在35℃条件下,TS为7.5%的猪粪进行厌氧发酵时,其甲烷产率为326 mL·g-1VS,与本试验的结果较接近。随着α-淀粉酶添加量从10 mg·g-1增加到30 mg·g-1时,甲烷产率亦随之增加,在添加量为30 mg·g-1时达到最高的384.9 mL·g-1VS,比CK组提高了22.1%;而当添加量继续增至40 mg·g-1时,其对应的甲烷产率相较30 mg·g-1试验组反而降低。由此分析,与CK组相比,在适当的范围内添加α-淀粉酶可以促进发酵料液中的淀粉水解为小分子糖类,即丙酮酸的前体物质,产氢产乙酸细菌将丙酮酸转化为如乙酸、丙酸、丁酸、甲醇等挥发性有机酸,反应底物的增加会提升产甲烷菌转化速率,提高甲烷产率;但过量添加的α-淀粉酶可导致过快的有机物水解及后续过快的挥发性有机酸的产生,一旦超过产甲烷菌甲烷转化的速率,挥发性有机酸的过量积累将抑制产甲烷菌的活性,此外,底物中部分细菌的新陈代谢活动获取营养物质的速度高于酶促反应速度,导致可溶性物质浓度下降,使甲烷产率下降。试验结果表明,在猪粪厌氧发酵进程中,溶解性碳源物质的浓度决定了厌氧发酵的甲烷产率,α-淀粉酶的添加阈值为30 mg·g-1。2.3 拟合模型的动力学分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]畜禽粪污能源化利用研究进展[J]. 邓良伟,吴有林,丁能水,何婷,刘刈,张云红. 中国沼气. 2019(05)
[2]基于排泄系数区域差异的中国畜禽粪便沼气潜力及其影响因素评价[J]. 陈利洪,舒帮荣,李鑫. 中国沼气. 2019(02)
[3]淀粉酶和蛋白酶强化猪粪水解研究[J]. 许美兰,蔡立萍,游颖盈,叶茜. 厦门理工学院学报. 2017(05)
[4]酶添加对酿酒废糟干式厌氧消化产沼气效果的影响[J]. 王婷婷,马诗淳,孙照勇,谭力,汤岳琴,木田建次. 中国沼气. 2017(05)
[5]不同农业有机废弃物产甲烷特性比较[J]. 韩娅新,张成明,陈雪兰,李砚飞,岳瑞雪,姜立,李十中. 农业工程学报. 2016(01)
[6]基于产甲烷潜力和基质降解动力学的沼气发酵物料评估[J]. 李超,刘刚金,刘静溪,陈柳萌,张诚,董泰丽,邓良伟. 农业工程学报. 2015(24)
[7]外加酶对剩余污泥水解与厌氧消化的影响实验研究[J]. 唐治,耿宇聪,李强,邓雅月,贺静,周正,尹小波. 中国沼气. 2015(04)
[8]不同抑制剂对乙酸降解产甲烷及产甲烷菌群结构的影响[J]. 麻婷婷,承磊,刘来雁,代莉蓉,周正,张辉. 微生物学报. 2015(05)
[9]猪粪固体含量对厌氧消化产气性能影响及动力学分析[J]. 杜连柱,梁军锋,杨鹏,高文萱,张克强. 农业工程学报. 2014(24)
[10]规模化养猪场粪污处理工程设计[J]. 陈彪,陈敏,钱午巧,翁伯琦,徐庆贤. 农业工程学报. 2005(02)
本文编号：3464448
【文章来源】：中国沼气. 2020,38(06)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
总挥发性脂肪酸浓度变化曲线
图4为沼气中甲烷体积分数变化曲线图,该体积分数的变化是厌氧发酵过程中不同微生物菌群之间相互作用的结果。由图4可以看出,甲烷体积分数先呈现快速增长而后趋于稳定,末期则逐步降低。在厌氧发酵的第2～3天,各试验组甲烷体积分数就已经大于50%,均进入正常产气状态。CK组的甲烷体积分数从第4天起就进入稳定期,至第26天结束,共保持了23 d,甲烷体积分数60.4%～70.4%;30 mg·g-1试验组的稳定期最长,从第3天持续到第29天,甲烷体积分数61.6%～70.6%,比CK组略有增加,试验组添加的α-淀粉酶使厌氧发酵系统中可利用的糖类物质增加,提高了系统中甲烷途径中碳物质浓度,促进最终产物甲烷体积分数的提升。2.2.3 α-淀粉酶对甲烷产率的影响
图5为各试验组累积甲烷产率曲线图。由图5可知,CK组的累积甲烷产率最低(315.4 mL·g-1VS)。杜连柱[11]等研究发现在35℃条件下,TS为7.5%的猪粪进行厌氧发酵时,其甲烷产率为326 mL·g-1VS,与本试验的结果较接近。随着α-淀粉酶添加量从10 mg·g-1增加到30 mg·g-1时,甲烷产率亦随之增加,在添加量为30 mg·g-1时达到最高的384.9 mL·g-1VS,比CK组提高了22.1%;而当添加量继续增至40 mg·g-1时,其对应的甲烷产率相较30 mg·g-1试验组反而降低。由此分析,与CK组相比,在适当的范围内添加α-淀粉酶可以促进发酵料液中的淀粉水解为小分子糖类,即丙酮酸的前体物质,产氢产乙酸细菌将丙酮酸转化为如乙酸、丙酸、丁酸、甲醇等挥发性有机酸,反应底物的增加会提升产甲烷菌转化速率,提高甲烷产率;但过量添加的α-淀粉酶可导致过快的有机物水解及后续过快的挥发性有机酸的产生,一旦超过产甲烷菌甲烷转化的速率,挥发性有机酸的过量积累将抑制产甲烷菌的活性,此外,底物中部分细菌的新陈代谢活动获取营养物质的速度高于酶促反应速度,导致可溶性物质浓度下降,使甲烷产率下降。试验结果表明,在猪粪厌氧发酵进程中,溶解性碳源物质的浓度决定了厌氧发酵的甲烷产率,α-淀粉酶的添加阈值为30 mg·g-1。2.3 拟合模型的动力学分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]畜禽粪污能源化利用研究进展[J]. 邓良伟,吴有林,丁能水,何婷,刘刈,张云红. 中国沼气. 2019(05)
[2]基于排泄系数区域差异的中国畜禽粪便沼气潜力及其影响因素评价[J]. 陈利洪,舒帮荣,李鑫. 中国沼气. 2019(02)
[3]淀粉酶和蛋白酶强化猪粪水解研究[J]. 许美兰,蔡立萍,游颖盈,叶茜. 厦门理工学院学报. 2017(05)
[4]酶添加对酿酒废糟干式厌氧消化产沼气效果的影响[J]. 王婷婷,马诗淳,孙照勇,谭力,汤岳琴,木田建次. 中国沼气. 2017(05)
[5]不同农业有机废弃物产甲烷特性比较[J]. 韩娅新,张成明,陈雪兰,李砚飞,岳瑞雪,姜立,李十中. 农业工程学报. 2016(01)
[6]基于产甲烷潜力和基质降解动力学的沼气发酵物料评估[J]. 李超,刘刚金,刘静溪,陈柳萌,张诚,董泰丽,邓良伟. 农业工程学报. 2015(24)
[7]外加酶对剩余污泥水解与厌氧消化的影响实验研究[J]. 唐治,耿宇聪,李强,邓雅月,贺静,周正,尹小波. 中国沼气. 2015(04)
[8]不同抑制剂对乙酸降解产甲烷及产甲烷菌群结构的影响[J]. 麻婷婷,承磊,刘来雁,代莉蓉,周正,张辉. 微生物学报. 2015(05)
[9]猪粪固体含量对厌氧消化产气性能影响及动力学分析[J]. 杜连柱,梁军锋,杨鹏,高文萱,张克强. 农业工程学报. 2014(24)
[10]规模化养猪场粪污处理工程设计[J]. 陈彪,陈敏,钱午巧,翁伯琦,徐庆贤. 农业工程学报. 2005(02)
本文编号：3464448
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