利用未水洗汽爆玉米秸秆统合生产生物乙醇及甲烷的研究

【摘要】：可再生清洁生物能源以其缓解化石能源危机、保护环境以及实现经济的可持续发展,在世界范围内受到广泛关注。在中国,玉米秸秆因价格便宜、可再生以及来源广泛被认为纤维素乙醇工业化生产的理想原料。然而,高底物浓度下生产纤维素乙醇,提高生物质的转化率仍是一个巨大挑战。 本研究以未水洗蒸汽爆破预处理玉米秸秆为原料,建立统合生产生物乙醇及甲烷的工艺。在生物乙醇生产工艺中,采用批式补料的策略进行高底物浓度同步糖化发酵,来获得高的乙醇产率。实验结果表明,通过分批补料,终底物浓度达到35.5%(w/w),最高乙醇浓度在72h达到69.8g/kg,相当于理论值的73%,纤维素转化率达到80%。 为阐明木质纤维素原料乙醇发酵残留物产甲烷的能力,本研究以乙醇发酵残留物、发酵残留物上清及固体部分分别进行产甲烷潜力实验。研究结果表明,发酵残留物产甲烷潜力为46mL CH4/g底物,上清部分产甲烷潜力为12mL CH4/g底物,固体部分产甲烷潜力达到286mL CH4/g底物,从而证明高底物浓度汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物具有较好的产甲烷潜力。高底物乙醇发酵残留物于3L厌氧反应器内利用富集驯化菌群进行厌氧消化产甲烷,经过52d厌氧消化,VS去除率55.3%,甲烷产率320mL/g VS。 乙醇甲烷统合共生产工艺物料平衡分析,lkg玉米秸秆可产生197g乙醇和96g甲烷,这表明统合工艺相比单独生产纤维素乙醇工艺,不仅可以实现木质纤维素原料的多级利用,而且生物质产率提高9.6%。 【关键词】：高底物浓度乙醇发酵 批式补料 厌氧消化 共生产 物料平衡
【学位授予单位】：首都师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ223.122;TQ221.11
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-9
• 图目录9-11
• 表目录11-12
• 第一部分 绪论12-29
• 1 研究背景12-13
• 1.1 能源形势12
• 1.2 生物乙醇的开发与利用12-13
• 2 以木质纤维素为原料的乙醇生产13-22
• 2.1 木质纤维素的组成13-16
• 2.2 木质纤维素原料的预处理16-18
• 2.3 木质纤维素原料的水解糖化18-19
• 2.4 发酵菌种19-20
• 2.5 木质纤维素原料的乙醇发酵20-21
• 2.6 乙醇的回收21-22
• 3 纤维素乙醇发酵残留物厌氧消化产甲烷22-26
• 3.1 厌氧消化产甲烷过程22-24
• 3.2 厌氧消化工艺参数24-25
• 3.3 木质纤维素类物质产甲烷25-26
• 3.4 纤维素乙醇发酵联合甲烷共生产26
• 4 本研究内容概述26-29
• 4.1 目的及意义26-27
• 4.2 研究内容及技术路线27-29
• 第二部分 材料与方法29-41
• 1 实验材料29-31
• 1.1 木质纤维素原材料29
• 1.2 菌种29-30
• 1.3 培养基30
• 1.4 实验试剂30-31
• 1.5 实验仪器31
• 2 实验方法31-36
• 2.1 菌种培养31-32
• 2.2 汽爆玉米秸秆SHF与SSF32
• 2.3 汽爆玉米秸秆预酶解实验32
• 2.4 纤维素酶用量优化实验32-33
• 2.5 高底物浓度批式补料同步糖化发酵实验(Fed-batch SSF)33-34
• 2.6 以乙醇发酵残留物为底物的厌氧菌群筛选试验34-35
• 2.7 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物产甲烷菌群富集驯化实验35
• 2.8 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物产甲烷潜力实验(BMP)35-36
• 2.9 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物厌氧消化产甲烷实验36
• 3 分析测试方法36-41
• 3.1 玉米秸秆及汽爆玉米秸秆成分分析36-37
• 3.2 单糖浓度分析测试方法37-38
• 3.3 乙醇发酵过程中糖浓度及乙醇浓度分析测试方法38
• 3.4 TS、VS测定38-39
• 3.5 COD分析测定方法39
• 3.6 甲烷及挥发性脂肪酸测定方法39-41
• 第三部分 结果与分析41-57
• 1 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵实验41-49
• 1.1 汽爆玉米秸秆成分分析41
• 1.2 酿酒酵母Y5生长曲线41-42
• 1.3 汽爆玉米秸秆SHF与SSF42-43
• 1.4 汽爆玉米秸秆预酶解实验43-44
• 1.5 纤维素酶用量优化实验44-45
• 1.6 高底物浓度批式补料同步糖化发酵实验(Fed-batch SSF)45-49
• 2 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物厌氧消化产甲烷49-55
• 2.1 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物组成及特性49-50
• 2.2 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物厌氧菌群的筛选试验50-51
• 2.3 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物产甲烷菌群富集驯化51-52
• 2.4 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物甲烷潜力测试实验52-55
• 2.5 未水洗汽爆玉米秸秆乙醇发酵残留物厌氧消化产甲烷实验55
• 3 乙醇甲烷统合生产物料平衡分析55-57
• 第四部分 讨论57-60
• 1 未水洗汽爆玉米秸秆发酵产乙醇57-58
• 1.1 汽爆玉米秸秆SSF与SHF实验对比57
• 1.2 纤维素酶用量优化及预酶解实验57
• 1.3 高底物浓度批式补料同步糖化发酵实验57-58
• 2 乙醇发酵残留物厌氧消化产甲烷58
• 2.1 乙醇发酵残留物产甲烷潜力实验58
• 2.2 厌氧消化产甲烷实验58
• 3 统合生产生物乙醇及甲烷58-60
• 第五部分 结论60-61
• 本研究创新点61-62
• 参考文献62-68
• 附录68-70
• 附录一：英文缩写词68-69
• 附录二：研究成果69-70
• 致谢70

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