废弃木耳菌棒的好氧水解特性

2017-08-01 13:04李文哲宋欣悦张基因罗立娜殷丽丽
东北农业大学学报 2017年7期
关键词:产甲烷菌棒厌氧发酵

李文哲,宋欣悦,张基因,罗立娜,殷丽丽

废弃木耳菌棒的好氧水解特性

李文哲,宋欣悦,张基因,罗立娜,殷丽丽

(东北农业大学工程学院,哈尔滨150030)

为分析废弃木耳菌棒好氧水解特性,在总固体浓度为10%,温度为34、38、44℃,时间为4、8、12、16、20、24 h条件下作水解发酵试验。结果表明,温度为44℃,好氧水解时间8 h时,木质素降解速率最快,降解率高达19.91%,占总降解率67.05%。在此条件下,厌氧发酵废弃木耳菌棒VS产气率较直接厌氧发酵对照组提高13.16%。表明好氧水解可有效提高木质素降解率,提高产气率。

废弃木耳菌棒;木质纤维素;好氧水解

随着食用菌行业迅速发展,木耳生产产生的废弃菌棒大部分被丢弃在田间地头、河岸或直接焚烧,造成严重环境污染和资源浪费[1]。

木耳菌棒原料因地域差异就地取材,主料采用木屑、棉籽壳、玉米芯等,黑龙江主要是木屑,约占总质量75%~90%。辅料为麸皮、米糠等[2-3]。主料与辅料配比根据不同木耳品种生长所需碳氮比确定[4]。在木耳生长过程中,木耳菌棒经过菌丝分解及酶解作用产生多种物质,如糖类、有机酸类、生物活性物质等及铁、钙等微量元素[5-6],有助于微生物生长,可作为厌氧发酵生产沼气原料。

木耳菌棒主要成分为木质纤维,在正常情况下不能被厌氧微生物降解,但出耳后,其木质素、纤维素、半纤维素均不同程度分解,主要由于木耳菌丝具有较强分解木质纤维素能力[7]。真菌作用后菌棒作为厌氧发酵原料的研究广泛。秦文弟等测定废弃菌棒产沼气潜力,结果表明,废弃菌棒是优质沼气发酵原料[8]。艾平等作废弃菌棒干湿厌氧发酵对比试验,发现废弃菌棒具有高产气潜力,高温干发酵产气效率优于湿发酵[9]。而针对未被菌丝作用原始木屑,本试验前期根据发酵料液不同干物质浓度作木屑厌氧发酵试验,结果表明干物质浓度为10%时效果最佳,VS产气率和VS产甲烷率分别为124.72和37.13 mL·g-1,但其木质纤维素降解率较低。原因是木质纤维类原料中木质素对纤维素和半纤维素缠绕作用,使其在植物细胞壁形成致密物理屏障,阻碍厌氧发酵水解阶段细菌对纤维素和半纤维素降解利用,特别是木屑类原料明显。

前人研究仅针对废弃菌棒厌氧发酵产气性能,在破坏木质纤维结构,提高纤维素、半纤维素降解率、产气量方面研究较少。本文结合废弃木耳菌棒原料特点,以废弃木耳菌棒好氧水解和产甲烷试验,探讨水解特性和产甲烷效果,优化废弃木耳菌棒最佳水解时间及温度,为后续深入研究提供数据支持。

1 材料与方法

1.1材料

废弃木耳菌棒取自哈尔滨市尚志市亚布力镇木耳养殖农户,菌棒制作主要原料为木屑80%,麸皮13%。接种物由沼液和牛粪混合,在35℃条件下驯化而成。发酵原料及接种物主要性质见表1。

1.2方法

使用容积为2.5 L广口瓶作为反应容器,其工作体积设为2.0 L。厌氧发酵阶段加盖橡胶塞,玻璃胶密封,橡胶塞中部预留出气孔,外接2 L集气袋作为集气装置。采用排水法收集产生气体体积,量筒计量。

表1 原料及接种物主要性质Table 1 Basic characteristics of inoculum and substrates

废弃木耳菌棒好氧水解试验流程如图1所示。首先将废弃木耳菌棒人工分离出塑料袋和培养料,剔除塑料袋,将余下培养料敲碎于4℃环境中储存备用;另取部分培养料烘干粉碎(粉碎粒径<20 mm),存于密封袋中,作成分分析。取184.7 g处理后废弃木耳菌棒与1815.3 g接种物混合,反应容器内干物质浓度(TS)为10%。为确定最佳废弃木耳菌棒好氧水解温度,将水解温度分别控制为34、38和44℃。并分为A、B两组,A组敞口放置,间歇搅拌;B组敞口放置,不搅拌。设定搅拌时间间隔为1h,搅拌时长为1 min,搅拌速率为180 r·min-1。并于4、8、12、16、20、24 h时取样,测定其不同水解时间及水解温度下木质纤维素含量。初步筛选出最佳水解温度。在该温度下,将处理后废弃木耳菌棒与接种物混合4、8、12、16、20、24 h湿法好氧水解并辅以搅拌供气,搅拌参数为时间间隔1 h,时间1 min,搅拌速率180 r·min-1。将水解后物料中温厌氧发酵。同时将D组设为对照组,即废弃木耳菌棒与接种物混合液直接厌氧发酵。每天手动摇匀发酵液1次。每24 h测定产气成分及产气总量,直到发酵结束。比较分析两组废弃木耳菌棒产气性能,优化废弃木耳菌棒最佳好氧水解时间。

图1 好氧水解实验流程Fig.1 Aerobic hydrolysis flow

1.3检测方法

TS采用烘箱(105±5)℃恒温干燥法测量;VS采用马弗炉(550±20)℃灼烧法测定[10];pH采用试验室pH计-FE20测量;溶氧量采用上海雷磁溶解氧测定仪测定;碱度采用溴甲酚绿-甲基红指示剂滴定法测定;总碳采用EuRo EA3000型元素分析仪测定;总氮采用Kjeltec2300型凯氏定氮仪测定,处理方法为将样品粉碎烘干后于380℃消解炉中消解2 h,消解结束后直接测定;纤维素、半纤维素、木质素采用ANKOM-200i半自动纤维分析仪测定;脂肪含量测定采用索氏提取法,使用乙醚作为提取剂;粗蛋白测定采用凯氏定氮法,使用仪器为Kjeltec2300型全自动凯氏定氮仪;气体组成成分及含量分析采用GC6890N(安捷伦,美国)气相色谱测定,装载TDX-01型填充柱和热导检测器(TCD)。色谱条件如下:氩气作为载气,流量设置为41.0 mL·min-1;进样口温度120℃,柱箱温度155℃,检测器温度220℃,运行2 min,采用外标法测定气体成分及含量,标准曲线包含5个浓度甲烷含量,其范围为9.85%~80.3%。

2 结果与分析

2.1好氧水解阶段pH变化

pH是反映体系运行稳定状态重要参数,底物pH影响细胞原生质特性、酶活性和微生物发酵活性。废弃木耳菌棒好氧水解阶段A、B两组pH变化趋势见图2。由于前期接种物与原料相同,因此初始pH均为7.11。由图2可知,在0~8 h内,38、38J、44、44J处理组pH呈明显下降趋势,原因是在好氧水解初期,物料中可被微生物利用营养成分充足,在微生物胞外酶与胞内酶作用下水解产酸[11]。而34、34J处理组pH下降趋势较缓慢,原因是反应体系温度较低,水解产酸菌代谢、有机酸积累、产酸过程伴有NH4-N+生成,在前8 h内两组pH均有向上波动趋势。而8 h后,各组料液pH趋平稳。

由图2可见,同等处理温度下,A处理组pH普遍较B处理组高,原因是A处理组伴有间歇搅拌,而搅拌使料液混合均匀,微生物与原料充分接触,促进生化反应。搅拌使固体物质在料液中分散、悬浮,避免物料沉积[12],促进传热传质。因此,在好氧水解体系中,A组较B组水解产酸菌对物料代谢充分,物料中粗蛋白被分解利用最终转化为NH4-N+完全,体系中pH相对较高。

图2 好氧水解过程中不同温度下pH变化Fig 2 Change of pH during aerobic hydrolysis at different temperature

2.2好氧水解对废弃木耳菌棒木质纤维素影响

2.2.1 不同温度下好氧水解木质素变化

好氧水解阶段A、B两组木质素降解率见图3。

由图3可知,木质素降解速率随着温度升高而增大,水解时间为8 h,温度为44℃时,好氧水解搅拌组木质素降解速率最快,降解率为19.91%,占总降解率67.05%。高于该时间段其他组别木质素降解率。随着好氧水解时间延长,各组分木质素降解速率均由高到低,最终趋于平缓。好氧水解末端,B组木质素降解率均高于A组。

由图3可见,A组木质素降解率普遍高于B组。原因是A组伴有间歇搅拌,搅拌增加物料与微生物接触面积,促进生物反应,增加物料中氧分子含量,氧与木质素苯环及侧链基团发生反应,改变木质素分子结构,提升木质素降解率。

2.2.2 不同温度下好氧水解纤维素变化

好氧水解阶段A、B两组纤维素降解率见图4。由图4可知,在水解4~12 h时间段内,各组分纤维素降解速率较高,在此时间段内,木质素降解率以及降解速率相对较高。在一定程度上起破坏木质素屏蔽作用。水解12 h后各组纤维素降解速率趋于平稳。随着水解时间延长,纤维素酶代谢产物积累,好氧环境中,代谢产物无法被厌氧菌利用,当水解产物浓度过高时,反馈阻碍相应水解酶合成[13]。因此降解速率均有降低趋势。水解产物浓度不同,水解酶抑制程度不同,后期各组出现分降解速率高低情况。

比较图3中A、B两组发现,好氧水解前期阶段,A组纤维素降解率普遍高于相应温度下B组,主要因为A组伴有间歇搅拌。而当酶水解纤维素时,纤维素对酶水解敏感度主要决定于纤维素可到达度。纤维素和酶须直接接触,因为纤维素不溶于水,结构复杂,接触依靠酶扩散到复杂纤维素网状结构实现[14]。搅拌使纤维素与水解酶充分接触。

图3 好氧水解阶段木质素降解率Fig.3 Degradation rate of lignin during aerobic hydrolysis

图4 好氧水解阶段纤维素降解率Fig.4 Degradation rate of cellulose during aerobic hydrolysis

2.2.3 不同温度下好氧水解半纤维素变化

好氧水解阶段A、B两组半纤维素降解率见图5。由图5可知,水解4~8 h时各组分半纤维素降解速率较高,而水解8 h后,各组降解速率均不同程度降低。原因为木质素与半纤维素主要通过化学键和氢键形式链接,在好氧水解条件下,水解液中氧分子与木质素侧链基团发生反应,改变木质素结构,破坏木质素与半纤维素之间化学键及氢键,由水解细菌分泌胞外酶作用于半纤维素,提升降解速率;水解细菌胞外酶形成受基质和水解产物支配,水解产物浓度过高抑制形成相应水解酶。所以水解8 h后,料液中酶代谢产物积累,对水解酶产生不同程度抑制,速率减慢。

比较图5A、B两组可知,在好氧水解前期,A组半纤维素降解率普遍高于相应温度下B组,说明搅拌促进半纤维素降解。原因主要是搅拌增加溶液中氧分子含量,增强好氧菌活性,提升反应体系酶含量,加快降解半纤维素。

2.2.4 不同温度下好氧水解总固体含量变化

好氧水解阶段A、B两组不同温度下总固体降解率见图6。

由图6可知,随着温度升高,总固体降解率呈递增趋势。在水解0~8 h时,总固体降解率较低,降解速率缓慢。水解8 h后各温度下总固体降解速率提升。原因是在好氧水解初期阶段,由于木质素对纤维素及半纤维素屏蔽作用,阻碍微生物降解利用。而含量较少的蛋白质、脂肪等易被水解物质被优先降解。随着好氧水解时间延长,氧分子与木质素作用破坏木质素与纤维素、半纤维素间化学键,增加胞外酶与纤维素、半纤维素接触面积,促进木质纤维素降解,总固体降解速率加快。

对比图6A、B可知,A组总固体降解率普遍高于B组,说明搅拌促进有机物降解,在搅拌过程中不仅增加料液溶解氧含量,使木质素在分子氧存在条件下发生氧化,减弱对纤维素、半纤维素屏蔽作用,易于被微生物利用。促进料液传热传质,打散菌团,增加木质纤维素与水解细菌接触面积,为微生物提供充足养料。

图5 好氧水解阶段半纤维素降解率Fig.5 Degradation rate of hemicellulose during aerobic hydrolysis

图6 好氧水解阶段总固体降解率Fig.6 Degradation rate of total solid during aerobic hydrolysis

2.3对厌氧发酵阶段废弃木耳菌棒产气影响

为探究最佳好氧水解时间,在温度为44℃条件下,对废弃木耳菌棒分别作4、8、12、16、 20、24 h好氧水解试验,并辅以搅拌,好氧水解结束后,根据体系稳定性判断厌氧发酵可行性,根据产气效果确定最佳好氧水解时间。

2.3.1好氧水解末端pH、碱度与VFA

沼气发酵微生物最适宜pH为6.5~7.5,超出此范围,沼气微生物代谢减慢,产甲烷细菌将受抑制[15]。水解末端pH见图7,可知各组反应体系pH均在适宜范围内。

碱度是指沼气发酵液结合氢离子能力,是衡量发酵体系缓冲能力指标。研究表明,总碱度在3 000~8 500 mg·L-1与挥发酸比为2∶1以上时,沼气发酵较稳定;反之,达不到预期效果。由图7可知,各试验组体系碱度/VFA均适合厌氧发酵产气。

图7 各试验组好氧水解末端体系pH、碱度/VFAFig.7 Changes curves of pH value and specific value of alkalinity and VFA at the terminal of aerobic hydrolysis

2.3.2 日产气量

不同处理组废弃木耳菌棒厌氧发酵日产气量如图8所示,由图8可知,好氧水解组日产气量变化趋势大体相同,在厌氧发酵前8 d,各处理组厌氧发酵体系不稳定,产气量均出现两次不同程度波动,其中,好氧水解4 h组在厌氧发酵第1天产气量达到最高,其他好氧水解组也相继在第2、3天达到各自产气峰值。当厌氧发酵到第8天以后,即厌氧发酵中期阶段,各组产气量又出现上升趋势,在第12、15天时出现第二次产气高峰。随着厌氧发酵进行,微生物可利用物质逐渐减少,日产气量下降。

由图8可知,对照组厌氧发酵前期日产气量波动较为明显,在第3天出现产气最高峰,产气量高于其他组别,原因主要是厌氧发酵初期,反应体系中未被水解成分较多为蛋白质、脂肪等,供给微生物消耗物质较充足,未经过好氧水解对照组前期产气量较高,随厌氧发酵时间延长,对照组产气量下降明显,与其他组别相比,产气量偏低。说明对照组中易被水解利用有机物消耗后,厌氧菌可利用物质减少,产气量降低。

2.3.3 累积产气量

不同处理组累计产气量如图9所示,由图9可见,发酵末端各处理组累积产气量好氧水解组别依次为8、12、16、4、20、24 h、D组。在发酵前期,对照组累计产气量与好氧水解处理组差异较小,甚至高于好氧水解处理组,厌氧发酵中后期时,对照组累积产气量上升趋势减慢,逐渐低于好氧水解组。原因主要是在厌氧发酵前期,体系中易被降解营养物质充足,可供微生物利用物质较多,在自身代谢过程中,释放出气体。而好氧水解组由于厌氧发酵前不同时间好氧水解,在好氧水解过程中易被利用物质如蛋白质、脂肪等被微生物利用,造成一定程度有机物损失,厌氧发酵初期对照组累积产气量相对于其他组差异较小。随厌氧发酵时间延长,易被降解利用有机物减少,不同处理组累积产气量差距逐渐增大,对照组由于未经好氧水解,纤维素与半纤维素被木质素包裹,阻碍微生物对纤维素及半纤维素利用,累积产气量逐渐降低。而好氧水解组氧分子与木质素反应从一定程度上破坏屏蔽作用,好氧水解时间不同对屏蔽作用破坏程度不同,各好氧水解组累积产气量不同。

图8 各试验组日产气量变化曲线Fig.8 Changes curves of daily biogas production with different treatments

图9 各试验组累积产气量变化曲线Fig.9 Changes curves of cumulative biogas production with different treatments

2.3.4日产甲烷量

甲烷含量决定生物气质量[16]。不同时间好氧水解组厌氧发酵甲烷日产气量见图10,从整体上看,各组分在厌氧发酵前期均先后出现2次产甲烷高峰,在第8天后各组甲烷日产量呈上升趋势,各组别依次出现第3次产甲烷高峰。随着厌氧发酵时间延长,可被利用降解有机物减少,厌氧发酵后期日产甲烷量逐渐降低。其中,经过8 h好氧水解预处理组别厌氧发酵时,甲烷日产气量均偏高,第13天时,甲烷日产量达到最高为772.38 mL,发酵末期第31天时,出现产甲烷小高峰,日产量为264.67 mL。

由图10可见,未经好氧水解处理对照组,甲烷日产气量在厌氧发酵前期与其他组别差异较小,而中后期日产气量偏低。原因主要是前期易被降解有机物充足,而随厌氧发酵时间延长,无物料补充,反应体系中易被利用有机物逐渐减少,另外木质素对纤维素和半纤维素包裹阻碍水解性细菌降解,导致纤维素、半纤维素无法降解成小分子供厌氧菌利用,因此体系中厌氧菌活性降低,甲烷日产气量变低。由此可见,好氧水解预处理可有效提升废弃木耳菌棒厌氧发酵日产甲烷量。

图10 各试验组日产甲烷量变化曲线Fig.10 Changes curves of daily methane production with different treatments

2.3.5 TS、VS产气率及产甲烷率

不同时间好氧水解组厌氧发酵TS、VS产气率及产甲烷率如图11所示,好氧水解处理组厌氧发酵TS、VS产气率及产甲烷率均高于对照组,其中好氧水解8 h组别厌氧发酵TS、VS产气率最高,分别是186.01 mL·g-1、217.7 ml·g-1,比对照组提高13.16%。与未经菌丝作用原始木屑相比,提高42.7%。说明好氧水解可破坏废弃木耳菌棒中木质素对纤维素、半纤维素屏蔽作用,促进微生物利用,提高产气率。

由图11可见,好氧水解处理组厌氧发酵TS、VS产甲烷率均高于D组,其中水解8 h组别TS、VS产甲烷率最高,分别为87.881 ml·g-1、103.371 mL·g-1,与D组相比提高21.6%。因此,经好氧处理后废弃木耳菌棒单位质量产气量和产能效率提高。

图11 各试验组TS、VS产气率及产甲烷率Fig.11 Biogas yield and methane yield of different treatments

3 讨论

木质素是以苯基丙烷为基本结构单元通过醚键、C-C键联接而成的非结晶性三维高分子网状化合物,具有芳香族特性。主要结构单体有3种,分别为紫丁香基丙烷结构单体、对羟基苯基丙烷结构单体、愈疮木基丙烷结构单体。用于木耳栽培木屑主要为紫丁香基型和愈疮木酚基型。纤维素是β-D-葡萄糖以β-1-4糖苷键连接而成大分子多糖。半纤维素是贯穿在木质素和纤维素之间聚糖混合物。半纤维素结构单元包括D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基等。木耳菌棒中木屑半纤维素主要为聚木糖类。

半纤维素作为分子黏合剂通过化学键、氢键将纤维素和木质素联接,具有网状结构木质素,作为支撑骨架包围并加固纤维素和半纤维素[17]。木质素最难被微生物降解,木质素对纤维素和半纤维素缠绕包裹,阻碍纤维素、半纤维素水解糖化。降低微生物对纤维素及半纤维素利用。打破木质素包裹作用是好氧水解关键。分子氧两个未成对电子易引起酚型和烯醇式木素自偶氧化,产生过氧化氢游离基,但木质素结构并未发生变化。进一步氧化,使苯环自身氧化形成氧5环结构、醌式结构等或消除侧链氧化,改变木质素分子结构,提高木质素降解率。木质素在厌氧环境下不被降解,可降解利用木质素微生物多为好氧微生物,好氧微生物繁殖能力高于厌氧微生物[18]。好氧水解可有效破坏木质素对纤维素、半纤维素包裹作用,提高木质素降解率,提升废弃木耳菌棒厌氧发酵产气率。

4 结论

a.研究不同温度下好氧水解对木质纤维素降解率影响,结果表明,经好氧水解后废弃木耳菌棒,可获得较高木质素降解率。在44℃温度下,其降解速率较快,在好氧水解8 h时,木质素降解率为19.91%,占总降解率67.05%。有效破坏木质素结构,提升废弃菌棒有机物质利用率。

b.研究44℃下6个不同时间段下好氧水解对厌氧发酵产气特性影响。结果表明,经8 h好氧水解后废弃木耳菌棒,再作厌氧发酵试验,VS产气率最高达217.7 mL·g-1,比对照组高13.16%,比未经菌丝作用原始木屑高42.7%。VS产甲烷率为103.371 mL·g-1。

c.搅拌可有效增加微生物与物料接触,提升有机物降解率,促进传热传质。增加料液中氧含量,促进木质素降解,在一定程度上破坏木质素包裹纤维素和半纤维素屏障,利于微生物对纤维素和半纤维素降解。

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Study on aerobic hydrolysis characteristic of the agaric cultivation waste/

In order to investigate aerobic hydrolysis characteristic of the agaric cultivation waste,agaric residue was used as raw material for hydrolysis and fermentation with 10%TS mass fraction.The experiments were carried out individually at 34,38,44℃with 4,8, 12,16,20,24 h.The results showed that aerobic hydrolysis of agaric cultivation waste whose time was 8h and temperature was 44℃had the highest degradation rate of lignin of 19.91%, which accounted for 67.05%of the total degradation.Under the optimum conditions,VS gas production rate of agaric cultivation waste increased by 13.16%comparing with the direct anaerobic fermentation.The experimental results showed that with aerobic hydrolysis pretreatment lignin degradation rate and gas production rate of the agaric cultivation waste can be effectively improved.

agaric cultivation waste;lignocellulose;aerobic hydrolysis

S216.3;X712

A

1005-9369(2017)07-0072-11

时间2017-7-12 11:20:12[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170712.1120.018.html

李文哲,宋欣悦,张基因,等.废弃木耳菌棒的好氧水解特性[J].东北农业大学学报,2017,48(7):72-82.

Li Wenzhe,Song Xinyue,Zhang Jiyin,et al.Study on aerobic hydrolysis characteristic of the agaric cultivation waste[J]. Journalof NortheastAgriculturalUniversity,2017,48(7):72-82.(in Chinese with English abstract)

2017-03-21

国家科技支撑计划项目(2015BAD21B03);中国博士后科学基金项目(2016M601405)

李文哲(1955-),男,教授,博士,博士生导师,研究方向为生物质能源与利用。E-mail:liwenzhe9@163.com

LIWenzhe,SONG Xinyue,ZHANG Jiyin,LUO Lina,YIN Lili

(SchoolofEngineering,Northeast AgriculturalUniversity,Harbin 150030,China)

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