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淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 20:59:25
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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

【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


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