林业废弃物预处理提高酶解产糖及产沼气的研究

发布时间：2019-09-16 17:53

【摘要】：化石能源的大量使用及随之而来的能源紧缺导致了能源危机及环境污染等一系列问题,利用生物质原料生产生物质能源是解决这一系列问题最有发展潜力的一个方向,近年来受到广泛关注。林业废弃物是一类高产量、易获得和高纤维素含量的生物质原料,可作为生物质能源生产的可再生原料。未经预处理的林业废弃物不利于高效的生物质能源生产。由于生物质原料之间具有不同的天然结构和化学成分,通过研究找到特定生物质原料最适合的预处理方法是非常必要的。本研究利用高压均质、水热—化学和微波—化学三种预处理方法对林业废弃物进行预处理,对预处理的机理和水解效率进行分析,并对这三种预处理方法的操作条件进行了优化。利用高压均质技术对草坪草、玉米秸秆、楸木木屑和松木木屑进行预处理。发现高压均质可以显著提高生物质原料的酶解效率。相比传统预处理方法,草坪草经过高压均质预处理,可以在不加热、不添加化学试剂的条件下得到较好的预处理效果。经高压均质后,四种生物质原料的平均粒径均下降；与酶的可接触面积由于内部爆破效应得到了极大提高；在30 MPa的均质压力下,最优的还原糖产糖量达到267.39 mg/g。高压均质预处理造成的半纤维素降解和粒径的降低是酶解效率提高的主要原因。高压均质技术可以显著提高生物质原料的生物能转化效率。在4种原料中,草坪草是最适合高压均质技术预处理的生物质原料。楸木木屑是一种生物质能转化潜力较高的原料,利用水热—化学预处理方法对楸木木屑进行预处理。发现水热—碱预处理可以显著提高原料的结晶度和酶解效率,而且水热—Ca(OH)2的预处理效果优于水热-NaOH。水热—碱预处理高效提高楸木木屑酶解效率的主要原因是半纤维素和木质素的去除；水热-Ca(OH)2相比水热—NaOH可以保留更多的原料,是该方法预处理效果较优的主要原因。经优化实验发现,在原料粒径—40目、固含量9%、Ca(OH)2剂量1.75%(w/v)、预处理温度160℃、预处理时间3 min、酶浓度150 FPU/g、酶解时间96h的优化条件下,还原糖产量达到518.14 mg/g。为了进一步提高热能的转化效率、节省能源,改用高热传导效率的微波方法进行加热,发现微波-Ca(OH)2预处理可以显著提高楸木木屑的酶解效率。微波—水和微波—碱预处理均可以造成楸木木屑成分和结构的变化；微波—碱预处理可以提高原料的结晶度和酶解效率。微波—碱预处理去除了原料中的部分半纤维素,导致原料中纤维素—半纤维素—木质素网状结构的破坏,使得纤维素更易被酶所水解,促进了原料酶解效率的提高。微波-Ca(OH)2的预处理效果优于微波-NaOH。经优化实验发现,在原料粒径—40目、Ca(OH)2剂量为2.75%(w/v)、微波功率400 W、预处理时间6 min、酶浓度175 FPU/g、酶解时间96h的优化条件下,还原糖产量达到402.73 mg/g。对高压均质预处理的草坪草和水热-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2预处理后的楸木木木屑进行厌氧发酵产沼气研究。高压均质预处理的草坪草在厌氧发酵后产生418 m1的沼气,约为未预处理样品的2.5倍；水热-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2预处理后的楸木木木屑分别产沼气721和706 ml,大概是未预处理样品的2倍。样品在预处理后均能在更短的时间产生更多的沼气；而且产气过程没有时滞。
【图文】：

木质纤维素

图１－１木质纤维素的结构（ＺｈｕａｎｄＺｈｕａｒｉｇ，２（ｎ２）逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｏｓｅ邋（Ｚｈｕ邋ａｎｄ邋Ｚｈｕａｎｇ，邋２０１２）逡逑

原料预处理,还原糖,产量,高压均质

（纤维素、半纤维素和木质素）含量变化的一个体现，而本研究中结晶度无论是降低逡逑还是升高，酶解效率都得到了不同程度的提高，说明不能仅凭结晶度的高低来判断预逡逑处理效果的优劣。从图３－２可见，经过高压均质预处理后，平均粒径的顺序为揪木木逡逑屑＞邋松木木屑＞邋玉米稻杆＞邋草坪草，与还原糖产量的顺序是相反的。这一现象说明平均逡逑粒径可能是表示高压均质预处理效果的一个重要指标。再辅ＷＳＥＭ的观察，发现生逡逑物质原料无论是内部面积还是外部面积都得到了较大的扩大，从而造成了原料与酶的逡逑接触面积得到了提高。从Ｗ上一系列的机理研究可Ｗ发现，高压均质预处理方法对原逡逑料成分和结构都有强烈的影响，，是一种剧烈的预处理方法。逡逑表３－３对比了几种草本生物质原料受到不同预处理后的还原糖产量，可Ｗ看出本逡逑研究中Ｗ草坪草为原料，Ｗ高压均质为预处理方法得到的还原糖产量要高于其他原料逡逑和方法的结合。草类具有低木质素含量、低结晶度等特点
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.4;X72

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