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厌氧消化作为一种有效且相对简单的生物技术，已经在全世界木质纤维素原料的稳定化、资源化与减量化方面得到广泛应用。但是，由于木质纤维素类物质中顽固性高分子，特别是木质素的存在，使得目前厌氧消化工艺对木质纤维素原料的转化效率不高，消化后有机物的降解率仅有30%~50%。因此，有必要采取适当的预处理措施，提高木质纤维素类原料在厌氧消化过程的转化率，提高其使用效率。
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| 目錄：
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第1章绪论1
1.1生物质资源化的意义1
1.2羧酸盐平台-VFA生产4
1.2.1厌氧发酵机理5
1.2.2厌氧发酵类型及路径6
1.2.3厌氧发酵过程中典型的功能细菌11
1.2.4挥发性脂肪酸的资源化应用13
1.3厌氧发酵影响因素16
1.3.1底物类型16
1.3.2pH17
1.3.3温度18
1.3.4有机负荷20
1.4木质纤维素类来源与特征20
1.4.1纤维素21
1.4.2半纤维素21
1.4.3木质素22
第2章木质纤维素类生物质预处理技术24
2.1生物质预处理方法概述24
2.1.1物理预处理24
2.1.2化学预处理25
2.1.3生物预处理26
2.2白腐真菌预处理木质纤维素类生物质27
2.2.1白腐真菌预处理概述27
2.2.2白腐真菌降解木质素机理29
2.2.3白腐真菌预处理主要影响因素31
2.3瘤胃微生物预处理概述33
2.3.1瘤胃微生物对木质纤维素的降解机制35
2.3.2瘤胃液转化木质纤维素原料36
2.4木质纤维素的利用现状37
2.4.1加工成型38
2.4.2堆肥38
2.4.3粉碎覆盖38
2.4.4食用菌栽培38
2.4.5化工原料转化39
2.4.6直接燃烧39
2.4.7生物质能源转化39
第3章蘑菇渣发酵产酸41
3.1蘑菇渣厌氧发酵产酸41
3.1.1实验材料与方法42
3.1.2底物浓度对蘑菇渣发酵产酸的影响45
3.1.3pH对蘑菇渣发酵产酸的影响49
3.2白腐真菌预处理促进蘑菇渣产酸55
3.2.1实验材料与方法56
3.2.2白腐真菌预处理对蘑菇渣厌氧发酵的影响61
3.2.3白腐真菌预处理蘑菇渣的机理分析66
3.3蘑菇渣和剩余污泥共发酵促进厌氧发酵产酸73
3.3.1实验材料与方法74
3.3.2蘑菇渣与剩余污泥共发酵对产酸的影响76
3.3.3蘑菇渣与剩余污泥共发酵过程中的底物降解规律79
3.3.4共发酵产酸过程的数学模拟83
第4章厌氧发酵定向产丙酸、戊酸机理分析87
4.1实验材料与方法87
4.2厌氧颗粒污泥反应器的稳定运行91
4.2.1反应器内污泥颗粒化过程91
4.2.2不同pH条件下反应器稳定运行概况及产物组成92
4.2.3厌氧颗粒污泥内部结构及生理特征94
4.3微生物群落分析95
4.4批式循环分析97
4.5发酵路径分析100
第5章瘤胃液预处理促进稻草厌氧发酵产酸产甲烷104
5.1实验材料与方法105
5.1.1瘤胃液微生物群落结构分析111
5.1.2瘤胃液预处理后稻草残渣的表面形态和结构分析115
5.2瘤胃液预处理稻草效果116
5.2.1瘤胃液预处理稻草产酸效果116
5.2.2甲烷发酵效果121
5.2.3动力学分析125
5.3底物浓度对瘤胃液预处理过程中挥发性脂肪酸的影响128
5.3.1底物浓度对瘤胃液预处理过程中生物质降解的影响131
5.3.2底物浓度对瘤胃液预处理过程中生物气的影响132
5.4预处理底物浓度对后续厌氧消化产甲烷的影响134
5.5瘤胃液预处理对微生物群落结构的影响136
5.5.1瘤胃液样品基因组DNA提取137
5.5.2PCR扩增结果138
5.5.3优化序列统计138
5.5.4细菌群落丰度及多样性139
5.5.5细菌群落差异性分析141
5.5.6细菌群落组成分析143
5.6瘤胃液预处理稻草残渣特性149
5.6.1瘤胃液预处理前后稻草残渣表观和微观结构149
5.6.2瘤胃液预处理后稻草残渣的化学成分150
5.6.3瘤胃液预处理后稻草残渣的结构151
5.6.4瘤胃液预处理后稻草残渣的结晶度152
第6章白腐真菌预处理促进沼渣发酵产酸156
6.1实验材料与方法157
6.2白腐真菌预处理对沼渣厌氧发酵效果的影响158
6.2.1白腐真菌预处理对沼渣发酵VFA产率的影响158
6.2.2白腐真菌预处理对固体沼渣发酵液中VFA组分的影响161
6.2.3氮磷在厌氧发酵过程中的释放162
6.3白腐真菌预处理沼渣的机理分析162
6.3.1预处理过程中白腐真菌在沼渣上的生长162
6.3.2白腐真菌预处理对沼渣木质纤维素组分的影响164
6.3.3白腐真菌预处理过程中胞外木质素降解酶活性的变化166
6.3.4沼渣表面形态168
6.3.5白腐真菌预处理过程中固体沼渣pH的变化169
第7章微波-碱预处理、超声-碱预处理和球磨预处理方法对瘤胃液预处理稻草残渣产乙醇发酵的影响172
7.1实验材料与方法173
7.2预处理前后稻草残渣的表观结构176
7.3预处理前后稻草残渣主要成分变化176
7.4预处理前后稻草残渣的微观结构178
7.5预处理前后稻草残渣的红外光谱分析179
7.6预处理前后稻草残渣的结晶度181
7.7预处理前后稻草残渣的比表面积182
7.8预处理方法对稻草残渣酶解糖化和乙醇发酵的影响183
参考文献188
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| 內容試閱：
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目前，全球超过80%的能源供应都来自化石燃料。随着人口数量的急剧增长以及经济发展对能源需求的增加，人类对能源日益旺盛的需求将加速化石能源的枯竭，使能源紧缺时期提前到来。此外，化石燃料燃烧会排放大量有害气体，极大破坏生态环境、引发全球温室效应、危害人类健康。面对能源危机和环境恶化，大力开发、利用绿色可再生生物能源日益受到国际社会的广泛重视。
木质纤维素类生物质数量巨大、来源广泛，是地球上最丰富的可再生资源，为生物质能源生产提供了稳定的物料。例如，我国是世界上最大的食用菌生产国、消费国和出口国，蘑菇渣年产量超过800万吨。随着食用菌栽培技术的普及，预计未来，我国每年会产生更多的蘑菇渣。蘑菇渣含有丰富的氮、磷、钾元素，C/N比较高，有机质含量在90%以上，而且含有丰富的粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维、矿物质等营养物质，以及大量木质纤维素降解酶和各类水解酶。目前，由于得不到较好的管理处置，同许多其他木质纤维素类生物质类似，大部分蘑菇渣被随意丢弃，这在一定程度上限制了蘑菇的规模化生产，大量堆放的蘑菇渣也容易造成对环境的二次污染。仅有少部分的蘑菇渣被用作土壤改良剂或动物饲料，但这些方法处置能力弱、产品附加值低，不能有效缓解蘑菇渣大量累积的问题。因此，合理处置并进一步提高木质纤维素类生物质的综合利用，利用生物质生产能源对缓解能源危机、减少环境污染具有重要意义。
厌氧消化作为一种有效且相对简单的生物技术，已经在全世界木质纤维素原料的稳定化、资源化与减量化方面得到广泛应用。但是，木质纤维素类生物质中顽固性分子，特别是木质素的存在，使得目前厌氧消化工艺对木质纤维素原料的转化率不高，消化后有机物的降解率仅有30%～50%。因此，有必要采取适当的预处理措施，提高木质纤维素类原料在厌氧消化过程中的转化率，提高其使用效率。白腐真菌能够分泌胞外木质素降解酶，有效地降解木质素，改变木质纤维素类生物质的结构和组分，提高木质纤维素类生物质的厌氧消化效率。作为生物预处理方法的一种，白腐真菌预处理具有能量消耗少、化学品投加量少等优点，因此受到研究者们的广泛关注。此外，瘤胃液中的细菌、真菌和原生动物通过协同作用，能够有效转化木质纤维素为挥发性脂肪酸，产生的挥发性脂肪酸又易被甲烷古细菌利用生产甲烷。由于具有高效水解、酸化木质纤维素的能力，瘤胃液处理可以作为一种生物预处理方法提高生物能源甲烷的生产效率。
挥发性脂肪酸（VFA），是厌氧消化过程中重要的中间产物，主要包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸，属于短链羧酸。这些短链羧酸是有机化工行业的重要生产原料，其附加值远大于甲烷，在生物塑料合成、生物能源生产和污水脱氮除磷等方面有广泛的应用潜力。为此国际上提出了“羧酸盐平台”的概念，即利用生物技术在混合开放系统（无须灭菌）中将有机废弃物转化成羧酸盐，作为各种化学品生产的原料前体。厌氧发酵产酸已成为废弃物资源化的主要研究方向之一。目前，关于木质纤维素生产生物质能的研究仍多集中于沼气和生物乙醇，存在产品附加值低，与粮食、动物饲料生产竞争等问题。对于以木质纤维原料为底物，特别是选择已被利用过的木质纤维素类生物质为原料，并结合白腐真菌预处理，强化其深度利用，促进厌氧发酵产酸的研究鲜有报道。此外，高效的“羧酸盐平台”不仅需要更高的VFA产率、更少的化学品投入，而且对发酵产物的控制同样十分重要。因为VFA的生产必须同后续利用相结合，不同的VFA组分对于后续产物的类型和品质具有不同的影响。但目前国内外对于厌氧发酵产酸的研究主要集中在通过预处理方法提高VFA产率，然而对VFA产物组分的调控，建立以丙酸、戊酸为主要发酵产物的研究还很少，同时底物在特定发酵系统中的转化路径也并不清楚。
全书共分为7章，分别对以下几个方面的研究内容进行论述。
第1章为绪论，综合论述了生物质资源化的意义及“羧酸盐平台”的发展潜力，介绍了厌氧发酵原理、厌氧发酵途径及厌氧发酵影响因素，归纳了木质纤维素的来源与特征。本章由北京林业大学房玮博士、张盼月教授编写。
第2章详细介绍了生物质预处理技术，并着重介绍了白腐真菌预处理技术，瘤胃液微生物预处理技术及其在木质纤维素能源转化过程中的应用，总结了木质纤维素利用现状。本章由北京林业大学房玮博士、张盼月教授编写。
第3章分三部分。第一部分介绍蘑菇渣发酵产酸的可行性分析及条件优化，主要考察底物浓度（6%～18%）及发酵过程pH（4～12）对厌氧发酵的产酸效率、酸组分及底物降解等的影响，探究最佳发酵过程的最佳底物浓度及pH。第二部分研究了白腐真菌预处理技术对蘑菇渣厌氧发酵产酸的影响。利用选取的真菌分别对高纤维素含量蘑菇渣（oyster champost）和高木质素含量蘑菇渣（raw champost）进行预处理，并考察真菌预处理对其产酸效率、酸组分及氮磷溶出的影响，通过预处理过程中真菌的生长、蘑菇渣成分和形态及真菌木质素降解酶活性的变化，对白腐真菌预处理机理进行了分析。第三部分提出剩余污泥共发酵，进一步提高了高纤维素含量蘑菇渣（oyster champost）厌氧发酵的效率。将剩余污泥与蘑菇渣混合发酵，考察两种底物的不同混合比例对厌氧共发酵过程水解产酸效率的影响，明确了最佳混合比例，并运用Logistic模型拟合厌氧发酵结果。本章由北京林业大学房玮博士、张盼月教授编写。
第4章关于厌氧发酵VFA组分不易调控、限制VFA后续应用路径的问题，进行了厌氧发酵路径调控的研究。在厌氧序批式反应器（ASBR）中通过厌氧颗粒污泥技术，建立以丙酸和戊酸为主要产物的发酵系统，考察不同pH（6.0～6.5）条件对发酵效率、颗粒污泥性质及微生物群落的影响，并明确了发酵底物的转化路径。本章由北京林业大学房玮博士、张盼月教授编写。
第5章为瘤胃液预处理稻草促进稻草厌氧消化产酸产甲烷的可行性分析，考察了不同瘤胃液预处理时间（0～120 h）对瘤胃液预处理稻草过程及后续产甲烷的影响，考察了不同底物浓度（1.0%～10.0%）对瘤胃液预处理过程中各指标及后续产甲烷产量的影响，并对预处理过程中瘤胃细菌群落结构和预处理后残渣特性进行了分析。本章由山西农业大学张海波教授、北京林业大学张盼月教授、河北工业大学张光明教授编写。
第6章研究了白腐真菌预处理促进以木质纤维类厌氧消化沼渣的厌氧发酵效果。考察了真菌预处理后发酵VFA产率、酸组分及氮磷溶出，分析了预处理过程中真菌的生长、沼渣pH、成分和形态变化及真菌降解木质素酶的变化，探究了白腐真菌预处理促进产酸的机理。本章由北京林业大学房玮博士、张盼月教授编写。
第7章介绍了微波-碱预处理、超声-碱预处理和球磨预处理方法对稻草瘤胃液预处理残渣产乙醇发酵的影响。在最佳条件下，提出并评价瘤胃微生物主导的厌氧发酵和乙醇炼制一体化系统。本章由山西农业大学张海波教授、北京林业大学张盼月教授、河北工业大学张光明教授编写。
生物质的厌氧发酵技术是生物能利用的重要途径，环境厌氧技术在我国越来越受到重视。该书详细总结了厌氧发酵基本原理、生物预处理生物质技术、生物质厌氧发酵产物与产物控制技术、厌氧发酵微生物学等内容。
本书可以作为初学厌氧发酵人员的学习用书，以生物质厌氧发酵为研究课题，以及从事生物质厌氧发酵新技术研究的相关人员的参考书。
由于时间和编者水平有限，疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正！
编著者
2022年3月
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