林業(yè)廢棄物預(yù)處理提高酶解產(chǎn)糖及產(chǎn)沼氣的研究

【摘要】：化石能源的大量使用及隨之而來的能源緊缺導(dǎo)致了能源危機及環(huán)境污染等一系列問題,利用生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物質(zhì)能源是解決這一系列問題最有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋€方向,近年來受到廣泛關(guān)注。林業(yè)廢棄物是一類高產(chǎn)量、易獲得和高纖維素含量的生物質(zhì)原料,可作為生物質(zhì)能源生產(chǎn)的可再生原料。未經(jīng)預(yù)處理的林業(yè)廢棄物不利于高效的生物質(zhì)能源生產(chǎn)。由于生物質(zhì)原料之間具有不同的天然結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分,通過研究找到特定生物質(zhì)原料最適合的預(yù)處理方法是非常必要的。本研究利用高壓均質(zhì)、水熱—化學(xué)和微波—化學(xué)三種預(yù)處理方法對林業(yè)廢棄物進行預(yù)處理,對預(yù)處理的機理和水解效率進行分析,并對這三種預(yù)處理方法的操作條件進行了優(yōu)化。利用高壓均質(zhì)技術(shù)對草坪草、玉米秸稈、楸木木屑和松木木屑進行預(yù)處理。發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)可以顯著提高生物質(zhì)原料的酶解效率。相比傳統(tǒng)預(yù)處理方法,草坪草經(jīng)過高壓均質(zhì)預(yù)處理,可以在不加熱、不添加化學(xué)試劑的條件下得到較好的預(yù)處理效果。經(jīng)高壓均質(zhì)后,四種生物質(zhì)原料的平均粒徑均下降；與酶的可接觸面積由于內(nèi)部爆破效應(yīng)得到了極大提高；在30 MPa的均質(zhì)壓力下,最優(yōu)的還原糖產(chǎn)糖量達到267.39 mg/g。高壓均質(zhì)預(yù)處理造成的半纖維素降解和粒徑的降低是酶解效率提高的主要原因。高壓均質(zhì)技術(shù)可以顯著提高生物質(zhì)原料的生物能轉(zhuǎn)化效率。在4種原料中,草坪草是最適合高壓均質(zhì)技術(shù)預(yù)處理的生物質(zhì)原料。楸木木屑是一種生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化潛力較高的原料,利用水熱—化學(xué)預(yù)處理方法對楸木木屑進行預(yù)處理。發(fā)現(xiàn)水熱—堿預(yù)處理可以顯著提高原料的結(jié)晶度和酶解效率,而且水熱—Ca(OH)2的預(yù)處理效果優(yōu)于水熱-NaOH。水熱—堿預(yù)處理高效提高楸木木屑酶解效率的主要原因是半纖維素和木質(zhì)素的去除；水熱-Ca(OH)2相比水熱—NaOH可以保留更多的原料,是該方法預(yù)處理效果較優(yōu)的主要原因。經(jīng)優(yōu)化實驗發(fā)現(xiàn),在原料粒徑—40目、固含量9%、Ca(OH)2劑量1.75%(w/v)、預(yù)處理溫度160℃、預(yù)處理時間3 min、酶濃度150 FPU/g、酶解時間96h的優(yōu)化條件下,還原糖產(chǎn)量達到518.14 mg/g。為了進一步提高熱能的轉(zhuǎn)化效率、節(jié)省能源,改用高熱傳導(dǎo)效率的微波方法進行加熱,發(fā)現(xiàn)微波-Ca(OH)2預(yù)處理可以顯著提高楸木木屑的酶解效率。微波—水和微波—堿預(yù)處理均可以造成楸木木屑成分和結(jié)構(gòu)的變化；微波—堿預(yù)處理可以提高原料的結(jié)晶度和酶解效率。微波—堿預(yù)處理去除了原料中的部分半纖維素,導(dǎo)致原料中纖維素—半纖維素—木質(zhì)素網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞,使得纖維素更易被酶所水解,促進了原料酶解效率的提高。微波-Ca(OH)2的預(yù)處理效果優(yōu)于微波-NaOH。經(jīng)優(yōu)化實驗發(fā)現(xiàn),在原料粒徑—40目、Ca(OH)2劑量為2.75%(w/v)、微波功率400 W、預(yù)處理時間6 min、酶濃度175 FPU/g、酶解時間96h的優(yōu)化條件下,還原糖產(chǎn)量達到402.73 mg/g。對高壓均質(zhì)預(yù)處理的草坪草和水熱-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2預(yù)處理后的楸木木木屑進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究。高壓均質(zhì)預(yù)處理的草坪草在厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生418 m1的沼氣,約為未預(yù)處理樣品的2.5倍；水熱-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2預(yù)處理后的楸木木木屑分別產(chǎn)沼氣721和706 ml,大概是未預(yù)處理樣品的2倍。樣品在預(yù)處理后均能在更短的時間產(chǎn)生更多的沼氣；而且產(chǎn)氣過程沒有時滯。 【關(guān)鍵詞】：生物質(zhì)能 酶水解 林業(yè)廢棄物 高壓均質(zhì)預(yù)處理 水熱—化學(xué)預(yù)處理 微波—化學(xué)預(yù)處理 厭氧發(fā)酵
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S216.4;X72
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1. 緒論10-34
• 1.1. 引言10
• 1.2. 能源短缺和環(huán)境污染問題的現(xiàn)狀10-11
• 1.2.1. 世界能源短缺問題的現(xiàn)狀10
• 1.2.2. 我國能源短缺問題的現(xiàn)狀10
• 1.2.3. 化石能源利用帶來的環(huán)境污染10-11
• 1.3. 解決能源危機和環(huán)境污染的主要對策11-16
• 1.3.1. 節(jié)能與減排11-12
• 1.3.2. 加強能源領(lǐng)域的國際合作12-13
• 1.3.3. 生物質(zhì)能源13-16
• 1.4. 林業(yè)生物質(zhì)能源16-19
• 1.4.1. 林業(yè)生物質(zhì)能源的優(yōu)勢16-17
• 1.4.2. 林業(yè)生物質(zhì)能在國內(nèi)外的發(fā)展17-19
• 1.5. 林業(yè)廢棄物19-26
• 1.5.1. 林業(yè)廢棄物的化學(xué)成分20-24
• 1.5.2. 林業(yè)廢棄物的利用現(xiàn)狀24-26
• 1.6. 生物質(zhì)預(yù)處理研究現(xiàn)狀26-32
• 1.6.1. 影響預(yù)處理效果的因素26-28
• 1.6.2. 物理預(yù)處理方法28-29
• 1.6.3. 化學(xué)預(yù)處理29-30
• 1.6.4. 物理—化學(xué)聯(lián)合預(yù)處理30-31
• 1.6.5. 生物預(yù)處理31-32
• 1.7. 本研究的目的和內(nèi)容32-34
• 2. 實驗材料與方法34-40
• 2.1. 實驗材料與儀器34-35
• 2.1.1. 主要試劑34
• 2.1.2. 主要儀器34-35
• 2.2. 原料35-36
• 2.3. 實驗方法36-37
• 2.3.1. 原料預(yù)處理及回收36
• 2.3.2. 樣品的酶水解36-37
• 2.3.3. 樣品的厭氧消化產(chǎn)沼氣37
• 2.3.4. 優(yōu)化實驗設(shè)計方法37
• 2.4. 分析方法37-40
• 2.4.1. 還原糖產(chǎn)量的測定37-38
• 2.4.2. 纖維素酶濾紙酶活測定38
• 2.4.3. 樣品化學(xué)成分測定38
• 2.4.4. 樣品粒徑測定38
• 2.4.5. 樣品表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)分析38-40
• 3. 高壓均質(zhì)預(yù)處理四種生物質(zhì)原料40-57
• 3.1. 引言40-41
• 3.2. 高壓均質(zhì)預(yù)處理前后原料的表觀觀察41
• 3.3. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對原料粒徑的影響41-42
• 3.4. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對原料化學(xué)成分的影響42-43
• 3.5. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對原料結(jié)構(gòu)的影響43-46
• 3.5.1. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對原料結(jié)晶度的影響43-44
• 3.5.2. 高壓均質(zhì)預(yù)處理前后微觀結(jié)構(gòu)的觀察44-46
• 3.5.3. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對原料吸水能力的影響46
• 3.6. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對原料酶解效果的影響46-49
• 3.7. 高壓均質(zhì)壓力對預(yù)處理效果的影響49-55
• 3.7.1. 不同高壓均質(zhì)壓力對草坪草化學(xué)成分的影響50
• 3.7.2. 不同高壓均質(zhì)壓力對草坪草結(jié)構(gòu)的影響50-54
• 3.7.3. 高壓均質(zhì)壓力對酶解效果的影響54-55
• 3.8. 本章小節(jié)55-57
• 4. 楸木木屑的水熱—化學(xué)預(yù)處理研究57-72
• 4.1. 引言57
• 4.2. 水熱—化學(xué)預(yù)處理前后楸木木屑的表觀觀察57-58
• 4.3. 水熱—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑化學(xué)成分的影響58-60
• 4.4. 水熱—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑結(jié)構(gòu)的影響60-63
• 4.4.1. 水熱—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑結(jié)晶度的影響60-61
• 4.4.2. 水熱—化學(xué)預(yù)處理前后微觀結(jié)構(gòu)的觀察61-62
• 4.4.3. 水熱—化學(xué)預(yù)處理楸木木屑的FT-IR分析62-63
• 4.5. 水熱—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑酶解效果的影響63-64
• 4.6. 水熱—Ca(OH)_2預(yù)處理楸木木屑的優(yōu)化64-70
• 4.6.1. 木屑粒徑和預(yù)處理固含量對預(yù)處理效果的影響65-66
• 4.6.2. Ca(OH)_2濃度對預(yù)處理效果的影響66-67
• 4.6.3. 預(yù)處理溫度和預(yù)處理時間對預(yù)處理效果的影響67-68
• 4.6.4. 酶解酶量和酶解時間對還原糖產(chǎn)糖量的影響68-70
• 4.7. 本章小節(jié)70-72
• 5. 楸木木屑的微波—化學(xué)預(yù)處理研究72-83
• 5.1. 引言72
• 5.2. 微波—化學(xué)預(yù)處理后楸木木屑的表觀觀察72-73
• 5.3. 微波—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑化學(xué)成分的影響73-74
• 5.4. 微波—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑結(jié)構(gòu)的影響74-77
• 5.4.1. 微波—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑結(jié)晶度的影響74-75
• 5.4.2. 微波—化學(xué)預(yù)處理前后微觀結(jié)構(gòu)的觀察75-76
• 5.4.3. 微波—化學(xué)預(yù)處理楸木木屑的FT-IR分析76-77
• 5.5. 微波—化學(xué)預(yù)處理對楸木木屑酶解效果的影響77-78
• 5.6. 微波—Ca(OH)_2預(yù)處理楸木木屑的優(yōu)化78-82
• 5.6.1. 酶投加量和酶解時間對還原糖產(chǎn)量的影響78-80
• 5.6.2. 原料粒徑和預(yù)處理條件對還原糖產(chǎn)量的影響80-82
• 5.7. 本章小結(jié)82-83
• 6. 預(yù)處理對草坪草和楸木木屑厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響83-90
• 6.1. 引言83
• 6.2. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對草坪草厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響83-86
• 6.2.1. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對沼氣氣量的影響83-84
• 6.2.2. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對甲烷含量的影響84-85
• 6.2.3. 高壓均質(zhì)預(yù)處理對pH值的影響85-86
• 6.3. 水熱—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2預(yù)處理對楸木木屑厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響86-89
• 6.3.1. 水熱—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2預(yù)處理對沼氣產(chǎn)量的影響86-88
• 6.3.2. 水熱—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2預(yù)處理對甲烷含量的影響88
• 6.3.3. 水熱—Ca(OH)_2和微波—Ca(OH)_2預(yù)處理對pH值的影響88-89
• 6.4. 本章小節(jié)89-90
• 7. 結(jié)論與展望90-92
• 7.1. 主要結(jié)論90-91
• 7.2. 論文創(chuàng)新點91
• 7.3. 展望91-92
• 參考文獻92-103
• 個人簡介103-104
• 導(dǎo)師簡介104-105
• 獲得成果目錄105-106
• 致謝106-107

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