秸秆类生物质超微预处理技术及其产氢可行性研究

发布时间：2020-10-15 01:42

【摘要】：纤维素类生物质资源量丰富，可通过直接或间接发酵途径转化产氢，因此在我国研究开发秸秆类生物质的纤维素的转化技术并将其用于产氢具有较大的优势，对开发替代能源，保护生态环境具有非常重要的现实意义。用秸秆来发酵产氢的瓶颈就在于秸秆中木质纤维素的水解，预处理是水解前的关键环节，是秸秆类生物质产氢经济性的重要制约因素，因此有必要对不同类型秸秆类生物质的纤维素结构，及秸秆类生物质超微预处理工艺进行系统的研究。 本论文在是国家自然科学基金项目“超微化秸秆类生物质光合连续产氢过程及代谢热研究”（项目编号：50976029）的资助下完成的。利用还原糖得率作为考察指标，优化了秸秆类生物质超微预处理工艺，并借助扫描电子显微镜和红外光谱、X射线衍射等技术分析了超微粉碎后原料表面形貌及组成、结构的变化，综合各方因素，确定了以秸秆类物质作为产氢原料的最佳原料类型和最佳预处理条件，将超微后底物进行产氢实验，进一步验证了超微预处理酶解用于产氢技术的技术可行性，最后，对超微预处理用于光合产氢及高值化利用过程中的产出-费用比（ΔB/ΔC）进行分析，研究其经济可行性，旨在为以秸秆类生物质超微粉碎用于光合产氢的研究提供参考和依据。结果表明： （1）经过超微球磨预处理，不同类型秸秆类生物质的纤维素结构均得到有效破坏，玉米芯由于其结构疏松，孔隙率大，且纤维素含量多，木质素的包裹作用最不明显，球磨后酶解产糖量最高，糖化率高达46.88%，确定了玉米芯为超微预处理用于产氢的最佳原料类型。 （2）通过单因素和从正交实验设计，对产氢用秸秆类生物质超微预处理工艺进行优化，找出了各因素对还原糖得率的影响主次关系依次为：球料比、球磨时间、原料初始粒径。由方差分析可知，球料比的影响是最为显著的影响因素。由正交验证实验结果可知，较适宜的超微预处理工艺为，原料初始粒径为0.45mm，球料比20:1，球磨时间为2h。 （3）由FTIR分析，可知不同类型秸秆类生物质经过球磨预处理后，纤维素、半纤维素和木质素各组分均不同，且吸光度也有明显差别。对球磨超微粉碎后的玉米秸秆及玉米芯试样进行X射线衍射分析，可知球磨粉碎后玉米秸秆和玉米芯的衍射强度均低于未球磨情况下，球磨超微粉碎能够有效降低秸秆类生物质的纤维素结晶度，玉米秸秆和玉米芯的衍射峰位置基本一致。对超微粉碎后的玉米秸秆及玉米芯试样进行SEM表征分析，可知球磨超微粉碎使其细胞壁被有效打开，微观结构发生了显著改变，有效表面积增大，结构变得疏松多孔。通过对正交试验过程中球磨后各组玉米芯的粒径分布范围进行分析，得出，粒径范围的变化总体上与还原糖得率的关系为，还原糖得率越高，粒径分布越小，还原糖得率越低，粒径分布范围越大，验证了粒径大小对超微秸秆类生物质酶解产糖效果具有显著影响。对各组球磨后玉米芯的比表面积进行分析，并结合粒径分布表可以看出，超微微粒的颗粒越小，其比表面积越大，且其还原糖得率越大。 （4）用各粉碎后秸秆的酶解反应液接种光合产氢菌进行代谢产氢，各类秸秆的累积产氢量大小规律与其酶解得糖率规律一致，说明秸秆类生物质酶解所产糖类能有效用于光合生物制氢过程。并确定了玉米芯为本文所选5种不同原料类型中最佳的产氢原料 （5）通过对球磨超微预处理过程的经济可行性进行分析，可以看出，ΔB/ΔC的最大值出现在原料初始粒径0.125mm，球磨时间0.5h。
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK91
【图文】：

图 1-2 厌氧微生物发酵产氢示意图Fig. 1-2 Schematic of hydrogen production by anaerobic microbial fermentation2)光合微生物法制氢 光合微生物法制氢是指微生物（细菌或藻类）通过光合作用将底物分解产生氢气的方法。藻类（如绿藻等）在光照条件下，通过光合作用分解水产生氢气和氧气，所以通常也称为光分解水产氢途径，其作用机理和绿色植物光合作用机理相似，光合作用路线见图 1-3。在这一光合系统中，具有两个虽然独立但是协调起作用的光合作用中心：能够接收太阳能，分解水产生 H+、电子和 O2的光合系统Ⅱ（PSⅡ）以及会产生还原剂，用来固定 CO2的光合系统Ⅰ（PSⅠ）。PSⅡ产生的电子，由铁氧化还原蛋白携带着经由 PSⅡ和 PSⅠ到达产氢酶，H+在产氢酶的催化作用下在一定的条件下形成 H2。产氢酶是所有生物产氢的关键因素，绿色植物由于没有产氢酶，所以不能产生氢气，这是藻类和绿色植物光合作用过程的重要区别所在。厌氧微生物 分解底物 预处理农产品 有机废弃物

河南农业大学硕士学位论文 作用的细菌，而且具有随环境条件变化而改变自身代谢类型的特年以前）出现的，具有原始光能合成体系的原核生物，广泛分布于污泥和土壤中。1937 年 Nakamura 观察到 PSB 在黑暗中释放氢气en 报道了深红螺菌（odospirilum rubrum）光照条件下的产氢现合固氮作用。这以后的许多研究表明，光照条件下产氢和固氮在 菌与绿藻相比，其光合放氢过程中不产氧，只产氢，且产氢纯度氢原理如图 1-4 所示 。

河南农业大学硕士学位论文 认为光合细菌产氢由固氮酶催化，已经证明光合细菌可利用多种有机酸、食产品加工的下脚料产氢。光合细菌所固有的只有一个光合作用中心的特殊简定了它所固有的相对较高的光转化效率。细菌和光合细菌联合产氢 厌氧细菌产氢和光合细菌产氢联合起来组成的称为混合产氢途径。图 1-5 给出了混合产氢系统中发酵细菌和光合细菌利用的生物化学途径和自由能变化。厌氧细菌可以将各种有机物分解成有机酸获自身生长所需的能量和还原力，为消除电子积累产生出部分氢气。
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本文编号：2841500