基于微生物生长代谢的干式沼气发酵机制

发酵基质内部传热传质过程缓慢及其造成的局部酸抑制，导致发酵系统微生物群落结构及生长代谢失调是干式厌氧发酵的主要限速步骤，也是导致厌氧干发酵产气率低且产气不稳定的重要原因。本项目基于系统动力学原理，研究干式厌氧发酵过程中，物料特性（物料含水率、密度、碳氮比、pH值，导热系数、定压比热等）随着底物水解的动力学变化，探讨其对基质内部传热传质过程以及厌氧发酵微生物群落变化、生长、代谢的影响，建立微生物群落在发酵基质中扩散的动力学模型；结合发酵过程中间代谢产物、系统生物反应热、系统加热和保温热媒的热量在基质中传递的变化规律，建立干式厌氧发酵基质传热传质的动力学模型。本研究结果可为干式厌氧发酵系统的设计提供必要的科学依据，具有重大的理论价值和工程应用价值。

沼气干发酵基质内部传热传质过程缓慢，容易造成的局部中间产物酸抑制和发酵系统微生物群落结构及生长代谢失调，从而导致发酵产气率低甚至发酵失败是目前阻碍沼气干发酵工程化应用重要因素。本项目实施过程中首先设计搭建了沼气干发酵机制研究试验平台，为本研究的顺利进行提供了保障；探讨了秸秆沼气干发酵样品预处理和FISH杂交工艺参数对沼气干发酵微生物定量的影响，优化了沼气干发酵微生物定量测定方法，保证了试验研究结果的准确性；研究发酵温度、接种物种类和接种量对秸秆沼气干发酵产气特性及甲烷化菌生长速率的影响，探讨了微生物种类、数量及生长速率影响沼气干发酵特性的作用机理；研究沼气干发酵进程中基质特性的变化规律，建立基质内部传热传质及微生物生长扩散的动力学模型，实现对干式厌氧发酵过程中基质特性变化及发酵进程的数学模拟，对厌氧干发酵系统的合理设计具有重要的理论指导意义。. 依托本项目的资助，共发表相关研究论文6篇，获得授权国家发明专利1项，培养硕士研究生4名；1名项目组主要成员到美国进行了为期1年的国际学术交流，期间参加美国农业与生物工程师学会的年会（ASABE），并将项目组的研究成果在会议上以学术报告的形式与国际上本领域的专家进行了交流。以本项目的研究工作为基础，项目负责人申报了山东省中青年科学家科研奖励项目 “液固联合秸秆高效厌氧干发酵关键技术研究”（项目编号：BS2011NJ015）获得了山东省科技厅资助。