淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究

【摘要】：能源与环境是整个人类共同面对的问题。氢能作为清洁、密度高的可再生能源载体受到越来越多的关注。本文首先以葡萄糖为模型,验证了生物法发酵联产氢气和甲烷的可行性。使用两步联产工艺(即第一步用产氢菌降解生物质发酵制取氢气,第二步用产甲烷菌降解制氢过程产生的液相发酵制取甲烷)将能源转化率从单纯制氢的20%左右提高到联产的80%左右。在pH为6左右,底物浓度为1%,接种／底物比例为2时,获得最高的联产量342.2 ml-H2/g葡萄糖和265.1 ml-CH4/g葡萄糖。研制出了高效培养产氢菌和产甲烷菌的方法,使用Cl-代替SO42-改良传统的产氢菌培养基培养和驯化富集产氢菌,增加了产氢菌的产氢能力,并极大地减少了发酵过程中有害气体H2S的产生。其次,研究验证了淀粉发酵联产氢气和甲烷可行性,其中第一阶段产氢阶段使用改良产氢菌培养基可基本消除传统产氢的启动滞留期12小时左右。通过α淀粉酶和糖化酶处理能提高马铃薯发酵的产氢效果,最大联产量为271.2 ml-H2/g-TVS和157.9 ml-CH4/g-TVS,联产的能源转化率高达59.6%。在此基础上进行了连续流的实验研究。 水葫芦是中国南方水域的“十大恶草之一”,研究水葫芦发酵联产氢气和甲烷具有重要意义。本文首先进行了水葫芦发酵联产氢气和甲烷的理论研究。实验研究过程以水葫芦的预处理过程对发酵联产氢气和甲烷的影响为主要研究内容,对比了碱法、酸法、瘤胃菌、超声波等方法,发现碱／酶法效果较好,其中碱浓度为0到5%时,3%的碱浓度最利于发酵制氢过程。水葫芦的叶和茎部分经过碱加酶预处理后可以用作发酵制取氢气和甲烷的原料。而根部产氢效果相对较差,并且富集重金属,不易作为发酵联产的原料。其中叶的联产效果最好,为每克水葫芦叶(TVS)产生51.7 ml H2和143.4 ml CH4,其能源转化率为33.2%。在此基础上,研究了碱／微波／酶预处理方法的效果,发现碱液浸泡24小时,然后在190℃微波消解10分钟,最后用0.05 g酶/g干物质酶解最佳。通过综合预处理方法碱／微波／酶方案对水葫芦糖化后,水葫芦最佳联产效果为每克挥发性固体产生63.9 ml H2和172.5 ml CH4,实际能源转化率为40.0%。通过综合预处理方法碱／微波／酶(增大酶使用量至0.25 g)对水葫芦糖化后,水葫芦直接产甲烷,可以产生237.4ml-CH4/g-TVS,实际能源转化率为49.5%。最后,进行以水葫芦为底物的50升规模的中间实验研究,为工业化应用奠定基础。 【关键词】：生物制氢 淀粉 纤维素 培养基 预处理
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 前言6-7
• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 目录11-15
• 1 绪论15-31
• 1.1 世界能源现状与氢能的发展15-18
• 1.2 氢燃料的优越性18-20
• 1.3 氢能源的开发与利用技术20-23
• 1.3.1 氢气的制取方法比较20-22
• 1.3.2 氢气的提纯和储运22-23
• 1.3.3 氢气的应用23
• 1.4 微生物制氢技术综述23-29
• 1.4.1 产氢菌的种类24-26
• 1.4.2 微生物发酵产氢的反应机理26-27
• 1.4.3 微生物制氢的国内外研究现状27-28
• 1.4.4 微生物发酵制氢存在的主要问题28-29
• 1.5 本文研究目的和内容29-31
• 1.5.1 研究目的29
• 1.5.2 研究内容29-31
• 2 微生物发酵联产氢气和甲烷的实验系统31-53
• 2.1 联产氢气和甲烷的反应装置31-39
• 2.1.1 联产工艺流程图31-32
• 2.1.2 实验室发酵罐系统简介32-35
• 2.1.3 附属设备35-39
• 2.2 影响发酵的主要因素及其测量与控制39-40
• 2.2.1 温度39
• 2.2.2 pH值39-40
• 2.2.3 氧化还原电位40
• 2.3 厌氧微生物的培养和驯化40-42
• 2.3.1 培养基的配置41
• 2.3.2 培养条件和驯化方法41-42
• 2.4 原料与产物的分析与测定42-51
• 2.4.1 原料的TS和TVS与菌种的VSS的测定方法42-43
• 2.4.2 有机物化学成分的测定方法43-47
• 2.4.3 生物气成分与浓度测定方法47-49
• 2.4.4 发酵物液相成分分析49-51
• 2.5 数据分析方法51-53
• 3 葡萄糖发酵联产氢气和甲烷的机理研究53-71
• 3.1 引言53-54
• 3.2 提出发酵法联产氢气和甲烷的创新原理54-55
• 3.3 实验材料和方法55-60
• 3.3.1 接种菌株55-57
• 3.3.2 实验装置和方案57-59
• 3.3.3 分析方法59-60
• 3.4 葡萄糖发酵产氢阶段实验结果60-64
• 3.4.1 底物浓度对发酵产氢的影响60-61
• 3.4.2 接种比例对发酵联产的影响61-63
• 3.4.3 pH值对发酵制氢的影响63
• 3.4.4 营养液对发酵制氢的影响63-64
• 3.5 葡萄糖联产甲烷的结果64-66
• 3.6 葡萄糖联产氢气和甲烷的能源转化率66-67
• 3.7 连续流实验67-69
• 3.8 本章小结69-71
• 4 马铃薯发酵联产氢气和甲烷的实验研究71-83
• 4.1 研究背景71-72
• 4.2 试验材料与方案72-76
• 4.2.1 改良的菌种培养基配方72-74
• 4.2.2 试验方案74-75
• 4.2.3 分析方法75-76
• 4.3 马铃薯发酵制氢结果76-79
• 4.3.1 培养基对马铃薯发酵制氢的启动期的影响76-77
• 4.3.2 淀粉酶预处理对马铃薯发酵制氢的影响77-78
• 4.3.3 淀粉酶和糖化酶协同预处理马铃薯对其发酵制氢的影响78
• 4.3.4 马铃薯发酵制氢的数学模型计算78-79
• 4.4 马铃薯发酵制氢废液联产甲烷的结果79-81
• 4.4.1 马铃薯发酵制氢废液联产甲烷的特性79-80
• 4.4.2 马铃薯发酵制氢后VFA的利用率80-81
• 4.5 马铃薯发酵联产氢气和甲烷的能源转化率81-82
• 4.6 本章结论82-83
• 5 水葫芦发酵联产氢气和甲烷的理论研究83-101
• 5.1 水葫芦概况83-84
• 5.2 水葫芦的危害84-85
• 5.3 水葫芦的治理现状85-87
• 5.3.1 生物治理86
• 5.3.2 化学治理86-87
• 5.3.3 物理治理87
• 5.3.4 水葫芦治理存在的问题87
• 5.4 水葫芦利用现状87-88
• 5.4.1 水葫芦作为肥料87
• 5.4.2 水葫芦净化水质87-88
• 5.4.3 水葫芦发酵制甲烷88
• 5.5 水葫芦的物理化学成分分析88-92
• 5.5.1 水葫芦根、茎和叶的元素分析89-90
• 5.5.2 水葫芦根、茎和叶的金属分布特性90-91
• 5.5.3 水葫芦根、茎和叶的化学成分分析91-92
• 5.6 水葫芦的水解92-96
• 5.6.1 木质素的降解93-94
• 5.6.2 纤维素的降解94-96
• 5.6.3 半纤维素的降解96
• 5.7 水葫芦联产氢气和甲烷的理论潜力96-101
• 5.7.1 水葫芦直接发酵产甲烷理论值96-98
• 5.7.2 水葫芦直接发酵产氢气理论值98-99
• 5.7.3 水葫芦联产氢气和甲烷的理论值99-101
• 6 两步法水葫芦厌氧发酵联产氢气和甲烷的实验研究101-109
• 6.1 研究背景101
• 6.2 发酵底物和接种物101
• 6.3 实验方案101-103
• 6.4 水葫芦样品物理化学成分103
• 6.5 不同碱浓度对水葫芦预处理的影响103-105
• 6.6 水葫芦根、茎和叶的发酵联产氢气和甲烷的特性105-106
• 6.7 能源转化率106-108
• 6.8 本章小结108-109
• 7 碱/微波/酶处理法对水葫芦叶发酵联产氢气和甲烷的影响109-121
• 7.1 实验方法109-110
• 7.1.1 发酵底物109
• 7.1.2 发酵菌种接种物109
• 7.1.3 实验方案109-110
• 7.1.4 测试方法110
• 7.2 微波温度对水葫芦水解的影响110-112
• 7.3 微波时间对水葫芦水解的影响112-114
• 7.4 酶添加量对水葫芦水解的影响114-115
• 7.5 碱浸泡时间对水葫芦叶发酵联产氢气和甲烷的影响115-117
• 7.6 碱/微波/酶综合处理后水葫芦叶直接产甲烷的实验结果117-119
• 7.7 本章小结119-121
• 8 水葫芦联产氢气和甲烷的50L规模中试研究121-129
• 8.1 联产氢气和甲烷的中试装置的流程121-124
• 8.2 水葫芦原料的预处理方法124
• 8.3 菌种的培养与驯化124-125
• 8.4 水葫芦联产氢气和甲烷的中间试验特性125-127
• 8.4.1 水葫芦发酵产氢结果125
• 8.4.2 水葫芦发酵产甲烷结果125-127
• 8.4.3 水葫芦发酵联产氢气和甲烷的能源转化率127
• 8.5 本章小结127-129
• 9 全文总结及主要创新点129-133
• 9.1 全文总结129-130
• 9.2 主要创新点130-131
• 9.3 工作不足及展望131-133
• 参考文献133-149
• 攻读博士学位期间发表的学术论文149-151

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

微藻生物质暗发酵和光发酵耦合产氢气以及联产甲烷的机理研究    夏奡

36%草·氯SP防除水葫芦的研究    吕永品,邵成,高泽民,郑仁军,郝绪春,郭厚杰

水生植物根系对多环芳烃(萘)吸附过程研究    刘建武,林逢凯,王郁,胥峥,张啸

谈沼气发酵原料新途径——兼漓江流域水葫芦的治理    钟祥荣;

产氢发酵细菌培养基的选择和改进    林明,任南琪,马汐平,王爱杰,马放,王相晶

水葫芦根系对苯的吸附过程研究    刘建武,林逢凯,王郁,胥峥,张啸

水葫芦对萘的降解作用研究    刘建武,林逢凯,王郁,张啸,胥峥

中国城市生活垃圾排放现状及成分分析    杜吴鹏;高庆先;张恩琛;缪启龙;吴建国;

水葫芦强化预处理－两相厌氧生物处置工艺研究    周岳溪，孔欣，傅强，郝丽芳，高维寅

水葫芦厌氧发酵产气规律    兰吉武,陈彬,曹伟华,赵由才

温度对布奇水葫芦象甲成虫取食量的影响    梁剑浩,陆永跃,曾玲,梁广文,陈萍

木塑复合材料性能研究的关键问题    钟鑫,薛平,丁筠

不同营养水平对鲁禽3号麻鸡配套系肌肉品质的影响    雷秋霞;曹顶国;韩海霞;李福伟;逯岩;

预处理秸秆与氮肥配施对两种土壤微生物量碳、氮动态变化的影响    张娟;沈其荣;蔡相鲁;李铁男;叶文婷;

不同基因型甘薯品种产量及营养成分的动态变化    张晓艳;王丽丽;刘淑云;封文杰;王风云;朱建华;

芦笋老茎堆肥中高温纤维素分解菌的分离、筛选及鉴定    李欣欣;王琳琳;申挺挺;宋志刚;韩建荣;

清洁燃料-乙醇柴油基本特性的研究    牛治刚;

酶改善二次纤维结合性能的研究    杭志喜

根霉Rhizopus sp. TC1产酶条件的研究    陈阿娜;汤斌;张庆庆;翟光雯;周逢云;

生物制氢的研究现状及前景    尹爱国;林汉森;

罗曼蛋鸡饲粮养分转化率的研究    丁昌春,张宇,周明

生物柴油的燃烧特性及排放标准    夏萍;刘伟伟;印菘;刘薇;

沿巢湖地区沼气能源规模化生产利用模式的探讨及生态效益分析    张庆国;杨书运;吴朝;李鉴清;朱雅莉;

对治理与净化水体砷污染的探讨    唐谋生;张立柱;余雷;

材料延寿与可持续发展    李金桂;张启富;

材料与环境    李金桂;张启富;袁训华;

生物质气化机理及应用    郑昀;邵岩;李斌;

基于微波加热法的原煤含水量在线检测研究    周育才;罗玉雄;

植物-微生物共代谢系统在湖泊修复中作用    李聪聪;成小英;周青;张光生;

金鱼藻与瓢沙对水体中N、P吸收性能比较    

水热液化技术处理水葫芦废弃物研究    张良;李长军;杨潇;张士成;陈建民;

聚合物/无机物/生物质杂化复合材料及其陶瓷材料的研究    李忠

上海合作组织框架内能源合作与中国能源安全    张耀

污泥厌氧消化过程中乙酸累积的微生态机理研究    许科伟

离子液体—蛋白酶处理对羊毛表面性能的影响    袁久刚

超高效螺旋式厌氧反应器三相流动特性的研究    陈小光

腐殖酸对纳米零价铁修复污染物的抑制及抗抑制机理研究    纳曼

活性炭及其改性催化剂应用于碘化氢分解的性能及机理研究    陈云

低挥发份劣质燃料循环流化床燃烧特性研究    李社锋

秸秆类生物质流态化燃烧特性研究    秦建光

基于组分的生物质热裂解机理研究    刘倩

铁锰硅对凤眼莲生物质结构的影响    武少伟

高产胞外多糖乳酸乳杆菌的选育及其发酵条件的优化    陈若雯

脆性水稻秸秆的生物预处理及发酵    刘晨娟

湖北省农村沼气产业化发展模式与对策研究    刘莹玉

高碳煤矸石与采残煤矿井下生物转化可燃气研究    唐敏

基于节能降耗系统平台的数据处理中间件的研究    朱红磊

生物质快速热解制生物质油的实验研究    胡兴涛

纤维床固定化酪丁酸梭菌产丁酸的研究    项宜娟

可降解育苗盘及其在半夏组培苗栽培中的应用研究    周滢

桦褐孔菌胞外多糖液体深层发酵及木质纤维素促进产糖效果的研究    陈辉

生物制氢技术的发展及应用前景    任南琪;郭婉茜;刘冰峰;

生物制氢研究进展(Ⅰ) 产氢机理与研究动态    柯水洲;马晶伟;

生物制氢研究进展(Ⅱ) 应用与前景    柯水洲;马晶伟;

氢能及其近期应用前景    毛宗强

发酵生物制氢研究进展    邢新会,张翀

无限的氢能——未来的能源    毛宗强;

暗发酵-光发酵两阶段联合生物制氢技术研究进展    刘坤;陈银广;赵玉晓;

基因改造和驯化细菌利用水葫芦发酵联产氢气和甲烷的机理研究    宋文路

生物质暗发酵和光发酵耦合产氢的机理研究    苏会波

城市生活垃圾处理处置现状分析    张宪生,沈吉敏,厉伟,解强

北京市城市生活垃圾组分预测    周翠红,路迈西,吴文伟

水葫芦在污水处理中的应用    郎咏梅;刘勃;季华东;郭少华;

河蟹对水葫芦生长的影响    江锦坡,金春华,徐镇,陆开宏

汽油与水和氧混合重整制氢气    朱文良,韩伟,张小亮,熊国兴,杨维慎

硼氢化钠制氢技术    孙雷,李宁,王桂香,黎德育

煤气化制氢技术    徐振刚,吴春来

水葫芦氧化塘处理印染废水过程中水力条件的探讨    林少宁,孙天华,刘振鸿,夏苏湘

世界燃料电池发展概况及推进广东发展燃料电池技术及产业的建议    蒋玉涛,苏植权

水生经济植物净化受污染水体研究    由文辉,刘淑媛,钱晓燕

热处理对污泥厌氧发酵产氢的影响    陈文花;刘常青;张江山;赵由才;

有机废水制取氢气及COD的去除    屈冉;李俊生;孙振钧;刘雪连;郑小雨;

厨余与污泥联合发酵不同预处理产氢特性研究    宋庆彬;李爱民;鞠茂伟;刘卓;

产氢菌的投加方式对强化发酵菌群产氢的影响    秦智;任南琪;李建政;

活性污泥以木糖为碳源产氢发酵的工艺条件    任云利;孙鲜明;吴云骥;王键吉;

分子生物学技术在厌氧发酵产氢中的应用    肖本益;刘俊新;林佶侃;曲久辉;

生物发酵制氢菌种富集优化与产氢的关联研究    计新静;李涛;孙学习;江振西;任保增;

生物制氢系统产氢菌的富集培养与分离技术    李永峰;任南琪;杨传平;胡立杰;吴忆宁;张文启;

Biolog鉴定产氢发酵细菌及其产氢能力的研究    吴薛明;

产氢发酵细菌的Biolog菌种鉴定与产氢能力    吴薛明;

高效产氢菌种Biohydrogenbacterium R3 sp.nov.连续流厌氧发酵生物制氢的研究    陈红;李永峰;徐菁利;邓婕璇;郜爽;

利用农林废弃物发酵产氢的研究    刘旭;马春红;李晓煜;何晓棣;甄占萍;吴哲;王立安;贾银锁;

利用厨余进行厌氧发酵产氢的研究    刘艳;黄晓婷;吴畏;

木质纤维素产氢菌筛选及其产氢能力    王爱杰;辛亮;高灵芳;任南琪;史英君;包红旭;

污泥预处理对提油后藻渣产氢的影响    杨智满;郭荣波;

碳源、氮源及碳／氮比值对发酵产氢细菌RF-9产氢性能的影响    郑国香;任南琪;钟溢键;李小玲;吴川福;周湘良;

汽爆秸秆好氧厌氧交替发酵制氢    陈洪章;王岚;李冬敏;

污泥和水葫芦混合发酵产氢的影响因素分析    程军;潘华引;戚峰;周俊虎;刘建忠;岑可法;

通过酸性末端产物气相分析判定产氢细菌    李永峰;任南琪;王兴祖;胡立杰;

厌氧发酵过程数学模型研究    何光设;蒋恩臣;

同步代谢秸秆木糖和葡萄糖的产氢新菌种及其产氢特性    许继飞

同步代谢秸秆木糖和葡萄糖的产氢新菌种及其产氢特性    许继飞

厌氧发酵产氢菌筛选及产氢菌突变体库构建    刘洪艳

乙醇型发酵群落分析及产乙醇杆菌功能基因表达研究    赵鑫

高效利用玉米秸秆的产氢菌种及其产氢性能研究    曹广丽

高效利用玉米秸秆的产氢菌种及其产氢性能研究    曹广丽

微小空间内光合细菌产氢行为及鼓泡强化产氢实验研究    屈晓凡

超微秸秆光合生物产氢体系多相流数值模拟与流变特性实验研究    荆艳艳

微藻生物质暗发酵和光发酵耦合产氢气以及联产甲烷的机理研究    夏奡

淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究    谢斌飞

发酵产氢菌的分离及其产氢研究    马生华

厌氧发酵产氢反应器连续运行及产氢菌的分离鉴定    秦丹

暗发酵生物产氢系统的参数优化    吴黎阳

Klebsiella sp.HQ-3产氢代谢调控及其发酵制氢的条件优化    于文燕

乙醇产氢发酵特性及其与微生物电解池耦合梯级产氢    李兆雯

秸秆与粪便预混处理技术及产氢实验研究    冯宜鹏

高温产氢微生物的分离筛选与鉴定    邴薇

高效产氢菌株筛选及厌氧发酵条件优化    刘合钦

高效产氢菌株筛选及厌氧发酵条件优化    刘合钦

活性污泥中产氢细菌的筛选及其产氢特性研究    邓慧