亚临界水预处理生物质联产乙醇—甲烷的研究

【摘要】：由于人口的快速增长和工业化进程的加快，能源问题已成为世界关注的焦点。化石能源储量的有限导致可再生能源成为研究的热点，其中燃料乙醇在可再生能源中占有重要地位。传统上，乙醇由玉米和甘蔗等农作物来生产，但这些原料本身就是食物和饲料的主要来源，以其为原料生产乙醇会导致潜在的粮食危机，而使用秸秆等废弃生物质为原料生产燃料乙醇则成为各国的共识。然而，用秸秆生产燃料乙醇还有一些待解决的问题，主要是原料的预处理技术、低成本高效纤维素酶的开发和戊糖-己糖共发酵技术等。合适的预处理和发酵方法能有效地提高木质纤维素原料的利用率，本研究采用亚临界水法处理不同种类的生物质，分析了处理前后生物质成分的变化规律，并对处理后的残渣的乙醇发酵和处理液的甲烷发酵进行了探索。主要的研究内容和结果如下： 1.亚临界水预处理条件的优化。研究采用中心组合设计（CCD）优化处理时间和处理温度，结果表明：柳枝稷，小麦秸秆和玉米秸秆最优的预处理条件分别是：200℃，0min；194℃，0min；190℃，0min，在最优处理条件下，三种原料水解液的还原糖含量分别得到最大值：3203mg，2082mg和1858mg。 2.最优条件处理后生物质残渣成分的分析。通过对预处理前后生物质中木质素，纤维素，半纤维素的含量测定得出：柳枝稷，小麦秸秆和玉米秸秆三者处理前后的半纤维素分别去除了约90%，74.7%和69.5%；木质素分别去除了约40%，44.9%和34.2%；纤维素分别保留了85%，95.1%和92.8%，这与傅里叶红外光谱（FTIR）分析的结果相符。扫描电镜（SEM）分析说明三种生物质经处理后的纤维素晶体与未处理相比有不同程度的破裂。因此亚临界水预处理能有效的去除秸秆中的半纤维素，部分去除木质素，保留绝大部分的纤维素并破坏纤维素晶体的致密结构，对接下来的残渣酶解发酵和液体甲烷发酵有利。 3.不同处理条件处理后生物质残渣的酶解。不同处理条件下残渣的酶解实验结果表明：随着亚临界水预处理温度和处理时间的增加，酶解率也逐渐增大。在最优处理条件下的酶解实验表明柳枝稷，小麦秸秆和玉米秸秆的酶解率分别是34%，35%和28.8%。 4.最优条件生物质处理后残渣和处理液的发酵。处理残渣采用同时糖化发酵法发酵，柳枝稷，小麦秸秆和玉米秸秆最终发酵所得的乙醇浓度分别为20.76g/L，12.8g/L和10.4g/L。三种生物质最优条件下的处理液甲烷发酵实验中仅有柳枝稷处理液产生了气体，产气总体积为390mL，甲烷产率为46%。 【关键词】：亚临界水 预处理 乙醇 甲烷 发酵
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ223.122;TQ221.11
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 文献综述11-18
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 燃料乙醇国内外产业概况11-13
• 1.2.1 国内产业概况11-12
• 1.2.2 国外产业概况12-13
• 1.2.2.1 美国12
• 1.2.2.2 加拿大12
• 1.2.2.3 巴西12-13
• 1.3 秸秆原料的主要成分及结构13
• 1.4 生物质预处理技术13-16
• 1.4.1 生物预处理法14
• 1.4.2 物理预处理法14
• 1.4.2.1 机械粉碎14
• 1.4.2.2 挤压14
• 1.4.3 化学预处理法14-15
• 1.4.3.1 碱处理14
• 1.4.3.2 酸处理14-15
• 1.4.4 物理化学预处理法15-16
• 1.4.4.1 亚临界水处理15
• 1.4.4.2 蒸汽爆破处理15
• 1.4.4.3 湿氧化处理15-16
• 1.5 乙醇发酵技术16
• 1.6 研究的目的、内容、意义和技术路线16-18
• 1.6.1 研究目的和意义16
• 1.6.2 研究内容16-17
• 1.6.3 技术路线17-18
• 第二章 预处理条件的优化18-25
• 2.1 材料与方法18
• 2.1.1 材料18
• 2.1.2 方法18
• 2.2 结果和分析18-25
• 2.2.1 原料成分分析18-19
• 2.2.2 预处理条件的优化19-25
• 第三章 预处理前后生物质成分的变化25-32
• 3.1 材料和方法25
• 3.1.1 材料25
• 3.1.2 方法25
• 3.2 结果和分析25-32
• 3.2.1 三种原料不同条件处理残渣的成分分析25-27
• 3.2.2 生物质最优条件处理后残渣的成分分析27-32
• 3.2.2.1 成分含量分析27-28
• 3.2.2.2 扫描电镜分析28-29
• 3.2.2.3 傅里叶红外光谱分析29-32
• 第四章 不同条件亚临界水预处理后残渣的酶解32-37
• 4.1 材料和方法32-33
• 4.1.1 材料32
• 4.1.2 方法32-33
• 4.1.2.1 纤维素酶活测定32
• 4.1.2.2 不同条件预处理后所得残渣的低底物浓度全面酶解实验32
• 4.1.2.3 不同原料最优处理条件下所得残渣的高底物浓度酶解实验32-33
• 4.2 结果与分析33-37
• 4.2.1 三种原料不同处理后残渣的全面酶解33-35
• 4.2.2 最优处理条件所得残渣的高底物浓度酶解35-37
• 第五章 最优亚临界水预处理条件所得残渣和处理液的发酵37-44
• 5.1 材料和方法37-39
• 5.1.1 材料37
• 5.1.2 方法37-39
• 5.1.2.1 柳枝稷同时糖化发酵37-38
• 5.1.2.2 小麦秸秆和玉米秸秆同时糖化发酵38
• 5.1.2.3 三种生物质最优条件处理液的甲烷发酵38-39
• 5.2 结果与分析39-44
• 5.2.1 柳枝稷发酵结果39-40
• 5.2.2 小麦秸秆和玉米秸秆发酵结果40-42
• 5.2.3 不同原料处理液甲烷发酵42-44
• 第六章 结论44-46
• 6.1 研究结论44
• 6.2 本研究存在的问题44-46
• 参考文献46-51
• 致谢51-52
• 作者简介52

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