用于厌氧发酵的秸秆类生物质碱法改性与甲烷—甲醇生物转化实验研究

发布时间：2020-11-18 08:17

　　 木质纤维素生物质是生产生物质能源的一个丰富的可再生底物来源,它可以通过减少对化石能源的依赖和降低温室气体的排放来提高能源和环境的安全。木质纤维素生物质通过厌氧发酵(AD)产甲烷,因其操作简单,运行可靠,且温室气体排放低而备受青睐。然而,阻止该技术商业化进程的一个重要因素是木质纤维素生物质的难降解性。尽管有许多预处理方法已经被研究和采用,但是对于非常具有前景的能源作物,比如,芦竹,关于其预处理方法对比研究的报道仍旧很有限。另一个因素则是甲烷的低能量密度,以及储存,运输,和分配的难度大。利用甲烷氧化菌氧化气态甲烷为液态甲醇则是一个可行的解决途径。同时,厌氧发酵过程所产甲烷中硫化氢的存在会抑制甲烷氧化菌的活性,也需要对其开展深入研究。本课题中,开展了芦竹高温液态水(LHW)预处理,氢氧化钠(NaOH)预处理耦合或不耦合碱液回用,以及氢氧化钙(Ca(OH)_2)预处理关于提高纤维素酶降解能力和甲烷产量的对比研究。此外,通过降低额外费用投入的玉米秸秆同步氢氧化钙处理的固态厌氧发酵(SS-AD)被用来进一步提高甲烷产量。为了解决沼气向甲醇生物转化过程中出现的硫化氢的抑制问题,一个甲烷氧化菌混合菌群,从暴露在4000 ppm硫化氢的厌氧发酵系统中被筛选获得。且开展了该混合菌群的微生物群落分析,以及硫化氢和气/液培养基组成对该混合菌群生长和产甲醇的影响的研究。实验结果总结如下:(1)相较于高温液态水预处理,碱处理由于处理强度低而保留了更多的芦竹干物质。在这两种预处理方法最优的条件下,高温液态水预处理(190oC,15 min)和碱处理(20 g/L的氢氧化钠,24 h)后的芦竹的葡萄糖的产量相较于不处理的芦竹的葡萄糖产量提高了2倍多,然而,相较于不处理的芦竹的甲烷产量(217 L/kg VS),只有碱处理显著地(p0.05)提高了甲烷的累积产量,提高量为63%。高温液态水(LHW)预处理由于其高的能量投入使得净电能产量为负值。碱处理相较于不处理的芦竹(3,859kJ/kg初始总物质),其净电能生产提高了27%,但是碱液需要通过再利用来提高整个过程的净收益。(2)芦竹的氢氧化钠预处理耦合碱液回用和氢氧化钙预处理就酶解消化和甲烷生产等方面进行了比较研究。在酶水解过程中,芦竹的氢氧化钠预处理耦合碱液回用提高了2.6倍的芦竹葡萄糖产量,并在厌氧发酵过程中,提高了1.4-1.6倍的甲烷产量。然而,氢氧化钠预处理的净收益(增加的能源收益减去化学药品费用)为负。7-20%氢氧化钙预处理不仅分别提高了2.3倍和1.4倍的葡萄糖产量和甲烷产量,同时获得了$1.1-5.8/公吨TS的净收益。(3)提出了玉米秸秆同步氢氧化钙处理固态厌氧发酵(SS-AD),用来评估低成本投入情况下提高甲烷产量的可行性。在玉米秸秆的固态厌氧发酵过程中,当F/I为6,氢氧化钙的添加量为2-3.5%时,甲烷的产量由118 L/kg VS提高到了173-182 L/kg VS(46-54%的提高量)。然而,当F/I为8和10时,玉米秸秆的固态厌氧发酵过程并没有因为氢氧化钙添加(2-5%)而获得成功。微生物群落分析表明3.5%的氢氧化钙处理实际上提高了在生物质降解和甲烷生产过程中起重要作用的微生物的相对丰富度(门分类水平上的Thermotogae and Euryarchaeota,和属分类水平上的Alkaliphilus,Bacillus,S1,and Methanobacterium)。相较于没有氢氧化钙添加的玉米秸秆的固态厌氧发酵,同步氢氧化钙处理(2-3.5%的氢氧化钙添加)和固态厌氧发酵可以获得$8.3-12.0/公吨TS的净收益。(4)一个耐受高浓度硫化氢的甲烷氧化菌混合菌群从厌氧发酵残渣中分离得到,其中Cyanobacteria(占据整体菌种序列的32.04%)是该混菌中的优势菌种,其次分别是Proteobacteria(31.55%),Bacteroidetes(29.94%),Chlorobi(5.87%)。混合菌群在含有4000 ppm硫化氢的甲烷空气混合气中可以稳定生长,并且基于甲烷的细胞有机质的产量在不同的硫化氢浓度(0 ppm,1000 ppm,2000 ppm,和4000 ppm)下没有显著差异(p0.05)。基于甲烷的细胞有机质生产的最优条件为甲烷空气比1:4,pH 6.8,和温度37℃,此时0.333 g细胞干重/g甲烷的细胞有机质被获得。(5)甲醇生产的单因素实验结果表明:最佳的产甲醇的条件为磷酸盐浓度50 mM,甲酸钠浓度100mM,和甲烷空气比1:1,此时甲醇浓度为0.28 mg/mL,甲醇产量为0.22 mol/mol甲烷。正交实验结果显示,甲烷氧化菌群的最优产甲烷条件为磷酸盐浓度50 mM,甲酸钠浓度100 mM,甲烷空气比1:2,且甲酸钠对甲烷氧化菌群的甲烷产量的影响最大。甲烷氧化菌群在不同硫化氢浓度(0 ppm,1000 ppm,2000 ppm,和4000 ppm)下甲烷转化效率没有显著的差异,表明甲烷氧化菌群可以耐受4000 ppm或者更高浓度的硫化氢。该混合菌群可以用于甲烷向甲醇的生物转换且不需要去除硫化氢。
【学位单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S216
【部分图文】：

(a) (b)图 1.1. 1990 年-2040 年期间，全球不同类型能源的消耗量(a), 引自文献 [4] 和 2012 年至 2040 年期间，基于不同类型能源的净电能 (b)，引自文献 [5].Fig. 1.1. During1990-2040, total consumption of different types of energy in world (a), adapted from reference [4], and during2012-2040, net eleticity generation from different types of energy (b), adapted from [5].化石能源的大量使用不仅会造成这些不可再生能源的短缺，同时也会对环境造成不良影响，其中温

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本文编号：2888515