林业废弃物预处理提高酶解产糖及产沼气的研究

【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。 【关键词】：生物质能 酶水解 林业废弃物 高压均质预处理 水热—化学预处理 微波—化学预处理 厌氧发酵
【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
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1. 绪论10-34
• 1.1. 引言10
• 1.2. 能源短缺和环境污染问题的现状10-11
• 1.2.1. 世界能源短缺问题的现状10
• 1.2.2. 我国能源短缺问题的现状10
• 1.2.3. 化石能源利用带来的环境污染10-11
• 1.3. 解决能源危机和环境污染的主要对策11-16
• 1.3.1. 节能与减排11-12
• 1.3.2. 加强能源领域的国际合作12-13
• 1.3.3. 生物质能源13-16
• 1.4. 林业生物质能源16-19
• 1.4.1. 林业生物质能源的优势16-17
• 1.4.2. 林业生物质能在国内外的发展17-19
• 1.5. 林业废弃物19-26
• 1.5.1. 林业废弃物的化学成分20-24
• 1.5.2. 林业废弃物的利用现状24-26
• 1.6. 生物质预处理研究现状26-32
• 1.6.1. 影响预处理效果的因素26-28
• 1.6.2. 物理预处理方法28-29
• 1.6.3. 化学预处理29-30
• 1.6.4. 物理—化学联合预处理30-31
• 1.6.5. 生物预处理31-32
• 1.7. 本研究的目的和内容32-34
• 2. 实验材料与方法34-40
• 2.1. 实验材料与仪器34-35
• 2.1.1. 主要试剂34
• 2.1.2. 主要仪器34-35
• 2.2. 原料35-36
• 2.3. 实验方法36-37
• 2.3.1. 原料预处理及回收36
• 2.3.2. 样品的酶水解36-37
• 2.3.3. 样品的厌氧消化产沼气37
• 2.3.4. 优化实验设计方法37
• 2.4. 分析方法37-40
• 2.4.1. 还原糖产量的测定37-38
• 2.4.2. 纤维素酶滤纸酶活测定38
• 2.4.3. 样品化学成分测定38
• 2.4.4. 样品粒径测定38
• 2.4.5. 样品表面形态和结构分析38-40
• 3. 高压均质预处理四种生物质原料40-57
• 3.1. 引言40-41
• 3.2. 高压均质预处理前后原料的表观观察41
• 3.3. 高压均质预处理对原料粒径的影响41-42
• 3.4. 高压均质预处理对原料化学成分的影响42-43
• 3.5. 高压均质预处理对原料结构的影响43-46
• 3.5.1. 高压均质预处理对原料结晶度的影响43-44
• 3.5.2. 高压均质预处理前后微观结构的观察44-46
• 3.5.3. 高压均质预处理对原料吸水能力的影响46
• 3.6. 高压均质预处理对原料酶解效果的影响46-49
• 3.7. 高压均质压力对预处理效果的影响49-55
• 3.7.1. 不同高压均质压力对草坪草化学成分的影响50
• 3.7.2. 不同高压均质压力对草坪草结构的影响50-54
• 3.7.3. 高压均质压力对酶解效果的影响54-55
• 3.8. 本章小节55-57
• 4. 楸木木屑的水热—化学预处理研究57-72
• 4.1. 引言57
• 4.2. 水热—化学预处理前后楸木木屑的表观观察57-58
• 4.3. 水热—化学预处理对楸木木屑化学成分的影响58-60
• 4.4. 水热—化学预处理对楸木木屑结构的影响60-63
• 4.4.1. 水热—化学预处理对楸木木屑结晶度的影响60-61
• 4.4.2. 水热—化学预处理前后微观结构的观察61-62
• 4.4.3. 水热—化学预处理楸木木屑的FT-IR分析62-63
• 4.5. 水热—化学预处理对楸木木屑酶解效果的影响63-64
• 4.6. 水热—Ca(OH)_2预处理楸木木屑的优化64-70
• 4.6.1. 木屑粒径和预处理固含量对预处理效果的影响65-66
• 4.6.2. Ca(OH)_2浓度对预处理效果的影响66-67
• 4.6.3. 预处理温度和预处理时间对预处理效果的影响67-68
• 4.6.4. 酶解酶量和酶解时间对还原糖产糖量的影响68-70
• 4.7. 本章小节70-72
• 5. 楸木木屑的微波—化学预处理研究72-83
• 5.1. 引言72
• 5.2. 微波—化学预处理后楸木木屑的表观观察72-73
• 5.3. 微波—化学预处理对楸木木屑化学成分的影响73-74
• 5.4. 微波—化学预处理对楸木木屑结构的影响74-77
• 5.4.1. 微波—化学预处理对楸木木屑结晶度的影响74-75
• 5.4.2. 微波—化学预处理前后微观结构的观察75-76
• 5.4.3. 微波—化学预处理楸木木屑的FT-IR分析76-77
• 5.5. 微波—化学预处理对楸木木屑酶解效果的影响77-78
• 5.6. 微波—Ca(OH)_2预处理楸木木屑的优化78-82
• 5.6.1. 酶投加量和酶解时间对还原糖产量的影响78-80
• 5.6.2. 原料粒径和预处理条件对还原糖产量的影响80-82
• 5.7. 本章小结82-83
• 6. 预处理对草坪草和楸木木屑厌氧消化产沼气的影响83-90
• 6.1. 引言83
• 6.2. 高压均质预处理对草坪草厌氧消化产沼气的影响83-86
• 6.2.1. 高压均质预处理对沼气气量的影响83-84
• 6.2.2. 高压均质预处理对甲烷含量的影响84-85
• 6.2.3. 高压均质预处理对pH值的影响85-86
• 6.3. 水热—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2预处理对楸木木屑厌氧消化产沼气的影响86-89
• 6.3.1. 水热—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2预处理对沼气产量的影响86-88
• 6.3.2. 水热—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2预处理对甲烷含量的影响88
• 6.3.3. 水热—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2预处理对pH值的影响88-89
• 6.4. 本章小节89-90
• 7. 结论与展望90-92
• 7.1. 主要结论90-91
• 7.2. 论文创新点91
• 7.3. 展望91-92
• 参考文献92-103
• 个人简介103-104
• 导师简介104-105
• 获得成果目录105-106
• 致谢106-107

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