玉米芯的预处理及其产氢工艺研究

发布时间：2017-07-28 09:37

  本文关键词：玉米芯的预处理及其产氢工艺研究

  更多相关文章： 玉米芯 NaOH预处理 嗜热厌氧菌M18 产氢 半连续流反应器

【摘要】：目前,玉米在我国被广泛种植,年产量高达数十亿公斤,而玉米芯作为玉米的副产物,除少部分用做牲畜饲料,制糖,大部分都未得以充分利用即被废弃掉,不仅占地如果焚烧还会造成环境污染和资源浪费。玉米芯虽然不能被食用,但有机质含量较高。因此具有较大的利用的潜力。目前国内外关于玉米芯的利用主要集中在制糖,生产糠醛等方面。虽然制氢技术被广泛关注研究,但关于玉米芯制氢的研究并不多,更没有实现工业化应用,大部分制氢技术都利用简单的碳水化合物,如葡萄糖,淀粉等等,采用玉米芯作为底物能大大降低产氢成本。纤维素具有致密的结晶结构和难水解的木质素包覆的外围,导致纤维素难以被降解利用,这也对菌种提出更高的要求,而本课题组新筛选出的菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum M18,具有良好地降解纤维素的能力。因此,本课题研究利用此菌M18降解玉米芯产氢,考察其产气情况和玉米芯的降解情况,从而为利用玉米芯产氢技术的大规模的工业化提供一些参考。本实验主要分为静态试验和运行半连续流反应器。静态试验在100 m L厌氧瓶中进行,研究首先对培养液初始pH,玉米芯粒径,反应时间,M18接种量等对反应总气体产量,氢气产量,菌体蛋白,发酵液pH和挥发酸浓度的影响进行考察,确定M18最适产氢反应条件。静态试验结果表明,M18适合的环境pH为7-8。减小玉米芯粒径能够促进其产氢反应的进行,当粒径从4 mm减小至0.25 mm,总气体产量,氢气含量,均随粒径减小而增加,而0.25 mm(60目)之后继续减小粒径,促进效果并未明显提升;72h之后反应基本完成,M18最佳接种量为7.5%。为进一步提升玉米芯产氢效果,研究采用NaOH对玉米芯进行预处理,通过对比分析预处理对玉米芯成分和形态以及对其产氢效果的影响确定最优预处理条件。未经预处理的总产气量为30-50 mmol/L,氢气含量为15%-20%。而经过预处理的玉米芯产气能达到60 mmol/L,氢气含量能达到25%。2%NaOH溶液,90°C水解120 min为NaOH预处理最佳条件。最佳预处理条件下水解后的玉米芯木质素由15.2%减少至9.8%,去除率为35.53%。半纤维素也有部分水解溶于NaOH中,由32.6%减少值27.2%,水解掉16.56%,而纤维素大部分被保留。半连续流实验反应器为2 L,36 h为一个周期换水,连续运行20个周期(30 d),考察实际反应器的产氢情况和反应过程中纤维素,半纤维素,木质素的降解情况。通过30天的半连续流反应器运行,前四个周期比较稳定,总气体产量为1000m L/7.5g-玉米芯-1300 mL/7.5g-玉米芯,氢气含量为20%-25%。产气情况比静态小瓶试验略低。而从第五个周期开始,产气量和氢气含量会有所下降,由于代谢产物的积累和产生一些杂菌导致M18菌体活性下降。需要继续接种M18维持反应进行。同时,为分析玉米芯成分降解情况设定72 h运行,研究发现运行前48 h半纤维素含量下降的比较快,纤维素含量下降的相对较慢,M18会先利用半纤维素作为其产氢的营养物质,运行72 h后,纤维素降解率为46.02%,半纤维素降解率为50%。
【关键词】：玉米芯 NaOH预处理 嗜热厌氧菌M18 产氢 半连续流反应器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;X712
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题来源、研究背景及目的和意义10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究背景10-11
• 1.1.3 课题研究目的及意义11
• 1.2 玉米芯资源利用概述11-15
• 1.2.1 玉米芯的成分及结构11-13
• 1.2.2 玉米芯国内外利用现状13-15
• 1.3 木质纤维素产氢研究现状15-19
• 1.3.1 木质纤维素产氢原理15-17
• 1.3.2 木质纤维素产氢国内外研究现状17-18
• 1.3.3 木质纤维素的预处理18-19
• 1.4 课题研究的主要内容和技术路线19-21
• 1.4.1 课题研究的主要内容19-20
• 1.4.2 技术路线20-21
• 第2章 实验材料与实验方法21-28
• 2.1 实验材料21-22
• 2.1.1 玉米芯来源21
• 2.1.2 菌种来源21
• 2.1.3 实验装置21
• 2.1.4 主要仪器设备21-22
• 2.1.5 培养基配制22
• 2.2 实验方法22-24
• 2.2.1 M18发酵玉米芯产氢影响因素研究22-23
• 2.2.2 NaOH预处理玉米芯条件研究23
• 2.2.3 半连续流反应器利用玉米芯产氢研究23-24
• 2.3 分析方法24-28
• 2.3.1 总气体及氢气含量测定24
• 2.3.2 菌体蛋白浓度测定24-25
• 2.3.3 发酵液pH与挥发酸浓度测定25
• 2.3.4 玉米芯成分分析25-27
• 2.3.5 玉米芯形态观察27-28
• 第3章 M18利用玉米芯产氢影响因素研究28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 培养液初始pH的影响研究28-29
• 3.3 玉米芯粒径和反应时间的影响研究29-39
• 3.3.1 不同粒径和反应时间下的总气体产量和氢气产量30-33
• 3.3.2 不同粒径下的菌体蛋白浓度33-34
• 3.3.3 不同粒径下的发酵液pH和挥发酸浓度34-39
• 3.4 M18接种量的影响研究39-40
• 3.4.1 不同接种量下的总气体产量和氢气产量39-40
• 3.4.2 不同接种量下的发酵液pH和挥发酸浓度40
• 3.5 本章小结40-42
• 第4章 NaOH预处理玉米芯条件及反应器运行42-58
• 4.1 引言42
• 4.2 NaOH预处理条件研究42-50
• 4.2.1 NaOH溶液浓度43-45
• 4.2.2 NaOH溶液预处理水解时间45-48
• 4.2.3 NaOH溶液预处理水解温度48-50
• 4.3 玉米芯经NaOH溶液预处理前后成分及形态分析50-53
• 4.3.1 预处理前后玉米芯成分分析50-52
• 4.3.2 预处理前后玉米芯形态分析52-53
• 4.4 反应器产氢研究53-54
• 4.4.1 总气体及氢气产量53-54
• 4.4.2 发酵液pH与挥发酸浓度54
• 4.5 玉米芯纤维素，，半纤维素及木质素降解研究54-56
• 4.6 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果65-67
• 致谢67

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