以秸稈和城市生活垃圾為原料制備燃料乙醇的研究

【摘要】：能源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的動力。當(dāng)今世界,能源短缺,給經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了很多制約因素。燃料乙醇被稱為不會增加碳排放的清潔能源,取之不盡、用之不竭的可再生能源,已成為發(fā)達(dá)國家競相開發(fā)的戰(zhàn)略制高點。開發(fā)燃料乙醇有兩大難點：(1)原料的預(yù)處理和糖化問題；(2)六碳糖與五碳糖共發(fā)酵問題。本工作圍繞這兩大問題展開研究,找到和建立了一些解決問題的新方法和新思路。針對糧食乙醇原料緊俏,研究了以農(nóng)林纖維素廢料和城市垃圾為原料制取燃料乙醇的可行性,結(jié)果發(fā)現(xiàn),秸稈和城市生活垃圾中的廚余垃圾和廢紙均可作為生產(chǎn)燃料乙醇的原料。現(xiàn)代城市垃圾的分類收集方式大大降低了垃圾分揀成本。廚余垃圾含有大約50%的淀粉類物質(zhì),用糖化酶糖化、發(fā)酵即可制得燃料乙醇,其工藝與糧食乙醇相當(dāng)。廢紙中含有的纖維素和半纖維素大約接近80%,其水解、糖化、發(fā)酵工藝與農(nóng)林纖維素相當(dāng)。為解決原料的預(yù)處理和糖化問題,在研究現(xiàn)有的酸法預(yù)處理的基礎(chǔ)上,提出了超濃酸法、微波聯(lián)合酸法、水性離子液體法等新的預(yù)處理糖化方法及其機(jī)制,探討了具體的工藝。結(jié)果表明,以超濃鹽酸為溶劑在常溫下預(yù)處理秸稈,其還原糖收率為28.7%,秸稈消解率接近100%。微波聯(lián)合酸法預(yù)處理廢紙的還原糖得率比常規(guī)加熱方式得糖率提高20%,是去離子水浸泡微波輻射(40min還原糖得率僅為0.15%)下得糖率的88倍；微波聯(lián)合酸法預(yù)處理廚余垃圾的還原糖得率比未經(jīng)預(yù)處理的廚余垃圾酶水解糖產(chǎn)量提高46.1%,說明微波輻射聯(lián)合酸法預(yù)處理生活垃圾的方式能有效促進(jìn)水解糖化過程,提高還原糖得率。提出了水性離子液體對木質(zhì)纖維素進(jìn)行水解的新方法。實驗結(jié)果表明：以濃度為25%的水性離子液體溶液為溶劑預(yù)處理秸稈的還原糖得率達(dá)93.69%,優(yōu)于稀酸溶液預(yù)處理秸稈的還原糖得率26.97%；進(jìn)一步的研究表明,對于秸稈,稀酸水解的活化能為157KJ/mol,超濃鹽酸水解活化能為116KJ/mol,離子液體水解活化能為107KJ/mol,水性離子液體水解活化能為43KJ/mol,說明水性離子液體為溶劑更有利于秸稈水解反應(yīng)的進(jìn)行,且離子液體可以多次重復(fù)利用而秸稈水解糖化效果維持穩(wěn)定,具有很好的經(jīng)濟(jì)性；同時采用水性離子液體預(yù)處理秸稈,離子液體用量降低,而且在離子液體循環(huán)利用過程中不需要將離子液體完全除去水分,從而節(jié)省操作流程和能源,降低了成本。為解決五碳糖對六碳糖發(fā)酵的抑制問題,提出了嗜單寧管囊酵母和釀酒酵母固定化發(fā)酵工藝,用其對廢棄秸稈和生活垃圾的酶水解液進(jìn)行靜態(tài)發(fā)酵,結(jié)果表明,固定化菌種對水解液的發(fā)酵效果明顯好于游離菌種的發(fā)酵效果,比游離菌種情況下乙醇產(chǎn)量提高38.1%。同時設(shè)計了非等溫動態(tài)發(fā)酵的新的發(fā)酵方案。根據(jù)微生物生長溫度和產(chǎn)物合成溫度不一致的情況,在發(fā)酵過程中通過變化溫度來確保菌種的穩(wěn)定生長并最大限度的提高乙醇產(chǎn)量,很好的改善了發(fā)酵效果,乙醇濃度達(dá)到7.1%,與靜態(tài)恒溫發(fā)酵相比乙醇產(chǎn)率提高了18.3%。最后創(chuàng)新性地以沸石作為吸附介質(zhì)對葡萄糖和離子液體混合體系進(jìn)行分離,試驗結(jié)果表明,沸石對葡萄糖有一定的吸附,對離子液體幾乎無吸附,同時葡萄糖從沸石上解吸附百分比最高達(dá)到99.83%,從而驗證葡萄糖和離子液體在沸石介質(zhì)上可以實現(xiàn)有效分離,分離率最高達(dá)到68.25%。 【關(guān)鍵詞】：燃料乙醇 木質(zhì)纖維素 秸稈 城市垃圾 廚余垃圾 廢紙 超濃酸 離子液體 糖化 發(fā)酵
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ223.122
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 第一章 緒論17-37
• 1.1 引言17
• 1.2 纖維素乙醇概述17-19
• 1.2.1 纖維素乙醇簡介17-18
• 1.2.2 纖維素乙醇的研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)概況19-23
• 1.3.1 農(nóng)業(yè)廢棄物20-21
• 1.3.2 城市生活垃圾21-23
• 1.4 木質(zhì)纖維素制備燃料乙醇的預(yù)處理方法23-30
• 1.4.1 木質(zhì)纖維素預(yù)處理的意義24-25
• 1.4.2 木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法25-30
• 1.5 木質(zhì)纖維素制備燃料乙醇的發(fā)酵工藝30-34
• 1.5.1 異步糖化發(fā)酵法(SHF)31-32
• 1.5.2 同步糖化發(fā)酵法(SSF)32
• 1.5.3 五碳糖和六碳糖共發(fā)酵32-33
• 1.5.4 固定化細(xì)胞發(fā)酵法33-34
• 1.5.5 非等溫動態(tài)發(fā)酵法34
• 1.6 本課題的研究內(nèi)容和目的、意義34-37
• 第二章 秸稈制備燃料乙醇的預(yù)處理工藝研究37-77
• 2.1 引言37-38
• 2.2 實驗38-45
• 2.2.1 實驗藥品、儀器和原料38-39
• 2.2.2 實驗方法39-43
• 2.2.3 分析方法43-45
• 2.3 秸稈的稀酸預(yù)處理工藝45-51
• 2.3.1 溶劑種類的影響45-46
• 2.3.2 酸濃度的影響46-47
• 2.3.3 秸稈與酸溶液固液比的影響47-49
• 2.3.4 微波功率與時間的影響49
• 2.3.5 溫度的影響49-51
• 2.4 秸稈的濃酸預(yù)處理工藝51-56
• 2.4.1 溫度的影響51-52
• 2.4.2 濃度的影響52-53
• 2.4.3 壓力對濃鹽酸預(yù)處理秸稈的影響53-54
• 2.4.4 不同固液比的影響54
• 2.4.5 超濃鹽酸預(yù)處理木質(zhì)纖維素結(jié)果54-56
• 2.5 秸稈的水性離子液體預(yù)處理工藝56-67
• 2.5.1 [Bmim]Cl離子液體的紅外表征結(jié)果56-58
• 2.5.2 酶解條件的確定58-62
• 2.5.3 離子液體預(yù)處理秸稈再生纖維素的酶解62-67
• 2.6 秸稈水解過程動力學(xué)分析67-76
• 2.6.1 秸稈稀酸水解動力學(xué)模型68-70
• 2.6.2 秸稈濃酸水解動力學(xué)模型70-73
• 2.6.3 秸稈離子液體水解動力學(xué)模型73-76
• 2.7 本章小結(jié)76-77
• 第三章 城市生活垃圾制備燃料乙醇的預(yù)處理工藝研究77-101
• 3.1 引言77-78
• 3.2 實驗部分78-81
• 3.2.1 藥品、儀器和原料78-79
• 3.2.2 實驗方法79-80
• 3.2.3 分析方法80-81
• 3.3 結(jié)果與討論81-100
• 3.3.1 預(yù)處理對廢紙酶水解糖化的影響81-91
• 3.3.2 預(yù)處理對廚余垃圾酶水解的影響91-100
• 3.4 本章小結(jié)100-101
• 第四章 固定化發(fā)酵工藝研究101-117
• 4.1 引言101-102
• 4.2 實驗102-108
• 4.2.1 實驗藥品、儀器和原料102-103
• 4.2.2 實驗原料103
• 4.2.3 實驗方法103-106
• 4.2.4 分析方法106-108
• 4.3 結(jié)果與討論108-115
• 4.3.1 固定化方式的比較108-109
• 4.3.2 固定化菌種的靜態(tài)發(fā)酵工藝109-114
• 4.3.3 固定化菌種動態(tài)發(fā)酵工藝114-115
• 4.4 本章小結(jié)115-117
• 第五章 離子液體與糖的分離117-133
• 5.1 引言117
• 5.2 實驗部分117-121
• 5.2.1 藥品、儀器和原料117-119
• 5.2.2 實驗方法119-121
• 5.3 結(jié)果與討論121-131
• 5.3.1 沸石對葡萄糖的吸附121-126
• 5.3.2 沸石對離子液體的吸附126-127
• 5.3.3 離子液體和葡萄糖在沸石上的分離127-129
• 5.3.4 葡萄糖從沸石上的解吸附129-131
• 5.4 本章小結(jié)131-133
• 第六章 結(jié)論133-135
• 參考文獻(xiàn)135-149
• 致謝149-150
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文150-151
• 作者和導(dǎo)師簡介151-152
• 學(xué)位論文答辯委員會決議書152-153

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