畜禽粪便厌氧消化过程中生物聚合物水解机制的理论分析

《BioEnergy Research》：Theoretical Analysis of the Hydrolysis Mechanism of Biopolymers in the Anaerobic Digestion Process of Livestock Manure

本研究提出整合酶催化与分子扩散的半经验模型，有效改善水解动力学描述。通过结合米氏方程与菲克定律，验证显示模型R2=0.973优于传统一级模型（R2=0.940），明确生化与传质参数（r_hmax, K_M, k_d, α），为优化厌氧消化操作条件提供理论依据。

　　

摘要

在过去的二十年里，对水解阶段的建模被认为对于理解其行为以及确定厌氧消化（AD）的最佳操作条件至关重要。传统的方法，如一级动力学模型和Michaelis–Menten动力学模型，分别考虑了底物浓度和酶活性，但忽略了质量传递效应。在这项工作中，我们提出了一个半经验模型，将酶催化作用与微生物边界层中的分子扩散现象结合起来。我们通过将Michaelis–Menten动力学与Fick扩散定律相结合，推导出了水解速率表达式，并用一个处理牛粪的热厌氧批次反应器的实验数据（温度55°C，固体体积浓度62 g/L）对其进行了验证。与一级模型（R2 = 0.940）相比，我们的模型具有更好的拟合度（R2 = 0.973），这表明扩散阻力可以显著影响水解动力学。通过用明确的生化参数和质量传递参数（rh,max、KM、kd、α）来构建动力学模型，可以确定提高水解效率的最佳操作策略。结果表明，将酶催化作用与扩散过程结合起来，比一级模型提供了更准确的理论描述，并能够更好地预测生物聚合物在厌氧消化过程中的溶解情况。