超微化秸秆粉体物性微观结构及光合生物产氢实验研究

【摘要】：本研究是在国家自然科学基金项目“超微化秸秆类生物质光合连续产氢过程及代谢热研究”(项目编号:50976029)的资助下完成的。 木质纤维素类生物质资源丰富,并且可再生,可以用来转化成固、液、气3种清洁燃料。但是由于木质纤维素类生物质中纤维素、半纤维素和木质素的复杂结构,造成酶水解效率比较低。要获得较高的酶水解率就需要对木质纤维素类生物质进行预处理。目前的预处理方法包括物理法、化学法、物理化学法和生物法四大类。研究者已经对木质纤维素类生物质的预处理方法进行了许多研究,虽然获得了一些成果,但还没有找到能够用于生产、高效率、低成本的方法,对于影响水解的因素目前还没有形成完全一致的结论,因此研究新的预处理技术,并对预处理影响酶解的机理进行分析就显得极为必要。 超微预处理已经在中药材加工方面取得显著成效,诸多的研究结果表面超微粉碎可以增加中药材的有效成分的溶出,并使胃肠道吸收的有效成分增大。由于秸秆和中药材一样同属于木质纤维素类生物质,光合产氢过程中其溶出物也要被生物体利用,因此本研究尝试将超微粉碎技术作为秸秆预处理方法,将超微粉碎后的秸秆粉体进行酶解光合产氢。研究重点在于对超微粉碎对木质纤维素类生物质物性和微观结构的测定观察,揭示其对酶水解的影响规律,并利用超微粉碎秸秆粉体酶解料液进行光合产氢,针对酶解料液的特定进行条件分析,为木质纤维素类生物质有效向高品位能源转化提供可能途径。试验中主要得到如下结论: (1)随着秸秆平均粒径的减小,秸秆超微粉体的比表面积增大,但是比表面积增大并不与粒径的减小呈现线性关系,可能是由于粉体颗粒表面存在着裂缝、裂纹,粉碎过程伴随有团聚。松装密度随着秸秆粒径减小而增大,但是粒径减小到一定程度后,松装密度的增大幅度开始减小,这可能是由于随着粉碎时间的延长,超微粉体已经趋近于球体。秸秆的45℃热水抽提物在相同的粉碎方式下随着粉碎后平均粒径的减小,抽提物增大,说明可溶于热水的物质增多;抽提物中的还原糖变化和热水抽提物变化一致,在相同粉碎方式下还原糖含量随着粒度减小而增大,这可能和粉碎程度变大,有机酸溶出变大,导致较多秸秆水解出更多还原糖的缘故。同时还发现,尽管秸秆粒径减小,但粉碎方式变为高能球磨时,尽管粒度减小,但其抽提物变化减小,这说明热水抽提物的变化不仅和粒度减小有关,和粒度减小所采用的粉碎方式也有很大联系,在同种粉碎方式下热水抽提物随着平均粒径的减小而增大。 (2)对粉碎为不同粒径的秸秆进行的扫描电镜分析表明,超微粉碎可以有效破坏秸秆的维管束结构以及细胞壁,在粉碎过程中伴随有团聚现象。FTIR分析表明纤维素羟基缔合程度减小,纤维素大分子间的氢键受到破坏,纤维素在球磨过程中有小部分降解;木质素侧链上的羰基发生变化,苯环结构也受到一定影响;指纹区也发生改变,说明秸秆在超微粉碎过程中其分子结构发生了变化。X衍射分析表明秸秆结晶度随着粉碎粒径的减小而降低。粘均法测定的聚合度表明随着秸秆粒径的减小,其聚合度降低,分子链断裂数增大,降解度增大。 (3)不同粒径范围秸秆粉体的酶水解试验表明,随着秸秆粒度的减小,酶对纤维素的可及度增大。通过对酶解后的秸秆进行的扫描电镜分析可以发现酶水解后的高粱秸秆微粒表面留下很多酶解孔洞。粒度越小时,单位面积上出现的酶解孔洞越多,这说明超微粉碎过程能在高粱秸秆表面产生较多的酶活性位点,从而提高酶解糖化率。对酶解后的秸秆粉体的X衍射表明,酶解后的秸秆结晶度都有提高,这可能和纤维素进入水环境后烘干所产生的重结晶有关,也和酶水解反应已经把较多无定型纤维素转化为还原糖而余下的都是结晶区有关。对纤维素的红外光谱分析研究表明只有粒径范围330~420nm的高粱秸秆在1604cm~（-1）处吸收峰变得尖锐,说明其反应机理和其它3种样品已经有所不同。 (4)不同球磨时间的高粱秸秆粉体的酶解试验表明,酶解过程可以分为两个阶段,其中第一个阶段为反应初始的36h,在此阶段约70%的还原糖产出,同时球磨时间越长的秸秆其酶解速率越大。利用Origin8.0软件对反应过程进行拟合,结果表明其酶解过程符合对数分布规律,酶解速率随着酶解时间的延长逐渐递减。对高粱秸秆粒径变化对酶解动力学参数的研究表明,随着秸秆球磨时间的延长,酶解的最大反应速率Vmax增大,而米氏常数Km的变化没有明显规律,此外,通过超微粉碎高粱秸秆酶解的单因素和响应面试验得到了的最佳反应条件。 (5)利用高粱秸秆超微粉体酶解料液的光合产氢试验表明:酶解料液的中和试剂采用NaOH比KOH的产氢效果要好很多,分析认为可能由于酶解阶段使用的缓冲剂中已经引入较多的Na~+,较多的Na~+使光合细菌发生阳离子中毒,导致产氢效果下降;离心过的上清液的累积产氢量要小于没有离心的酶水解料液,通过对还原糖的测定发现,在产氢过程中没有离心过的酶水解料其实还在继续水解,导致还原糖浓度在产氢过程要高于离心过的;在试验设计水平内,高的底物浓度可以保持较长的高效产氢期,但产氢高峰期相对滞后;光合细菌比较适合的接种量为20%;种子液的培养期以48h为宜;光照度的范围控制在1000~3000Lx时光利用率最高。 【关键词】：超微粉碎 秸秆 物性 微观结构 酶解 动力学 光合产氢
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 致谢4-9
• 摘要9-11
• 第一章 绪论11-30
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 生物制氢12-17
• 1.2.1 基于产氧光合作用的生物制氢12-13
• 1.2.2 微生物电解池生物制氢13-14
• 1.2.3 暗发酵生物产氢14-16
• 1.2.4 光合细菌光合生物产氢16-17
• 1.3 光合细菌利用木质纤维素类生物质生物产氢17-23
• 1.3.1 木质纤维素类生物质资源现状17-18
• 1.3.2 木质纤维素类生物质的组成及结构18
• 1.3.3 木质纤维素水解18-19
• 1.3.3.1 酸水解18-19
• 1.3.3.2 酶水解19
• 1.3.4 制约木质纤维素酶水解转化的因素和预处理的必要性19-20
• 1.3.5 木质纤维素预处理技术20-23
• 1.3.5.1 物理预处理20
• 1.3.5.2 化学预处理20-22
• 1.3.5.3 物理化学预处理22
• 1.3.5.4 生物预处理22-23
• 1.4 超微粉碎23-27
• 1.4.1 超微粉碎的概念23
• 1.4.2 超微粉碎设备23-25
• 1.4.2.1 磨介式粉碎机24-25
• 1.4.2.2 气流粉碎机25
• 1.4.3 超微粉碎技术的应用研究现状25-27
• 1.4.3.1 超微粉碎技术的在食品领域的应用研究现状25-26
• 1.4.3.2 超微粉碎技术在医药方面的应用研究现状26
• 1.4.3.3 超微粉碎技术在饲料方面的应用研究现状26
• 1.4.3.4 超微粉碎技术用于木质纤维素预处理的研究现状26-27
• 1.5 本课题的研究意义、内容和方法27-30
• 1.5.1 研究意义27-28
• 1.5.2 研究内容28
• 1.5.2.1 超微粉碎对木质纤维素物性及微观结构的影响28
• 1.5.2.2 高粱秸秆超微化粉碎酶解糖化试验研究28
• 1.5.2.3 利用超微秸秆酶解料液光合产氢试验研究28
• 1.5.3 研究技术路线28-30
• 第二章 超微粉碎对木质纤维素类生物质物性及微观结构影响30-52
• 2.1 材料和方法30-36
• 2.1.1 试验材料30-31
• 2.1.2 主要试剂31-32
• 2.1.3 试验仪器32
• 2.1.4 试验方法32-36
• 2.2 结果与分析36-50
• 2.2.1 粒度36-37
• 2.2.2 比表面积37
• 2.2.3 松装密度变化37-38
• 2.2.4 显微结构的 SEM 测定分析38-39
• 2.2.5 官能团的FTIR 测定分析39-41
• 2.2.6 结晶度的 X 衍射测定分析41-42
• 2.2.7 聚合度测定分析42-43
• 2.2.8 抽提物测定分析43-44
• 2.2.9 酶对纤维素可及度及酶解前后秸秆微观分析44-50
• 2.2.9.1 酶对纤维素可及度分析44-45
• 2.2.9.2 秸秆酶水解前后微观变化分析45-50
• 2.3 本章小结50-52
• 第三章 高粱秸秆超微化粉碎酶解糖化试验研究52-75
• 3.1 试验材料和方法52-60
• 3.1.1 试验原料52-55
• 3.1.2 主要试剂55-56
• 3.1.3 试剂配制56
• 3.1.4 试验仪器56
• 3.1.5 试验方法56-60
• 3.2 试验结果与讨论60-74
• 3.2.1 葡萄糖标准曲线60-61
• 3.2.2 纤维素酶的滤纸酶活61
• 3.2.3 不同球磨时间高粱秸秆的酶解反应速率变化61-64
• 3.2.6 粉碎不同时间的高粱秸秆的酶解动力学参数64-66
• 3.2.7 几种反应因素对酶解糖化效果的影响66-69
• 3.2.7.1 高粱秸秆球磨时间对酶解糖化的影响66-67
• 3.2.7.2 酶负荷对酶解糖化的影响67-68
• 3.2.7.3 反应时间对酶解糖化的影响68
• 3.2.7.4 底物浓度对酶解糖化的影响68-69
• 3.2.8 响应面法优化超微粉碎高粱秸秆酶解反应工艺条件的试验69-74
• 3.3 本章小结74-75
• 第四章 光合细菌利用超微粉碎秸秆酶解料液光合产氢研究75-93
• 4.1 试验材料75-76
• 4.1.1 试验原料75
• 4.1.2 试验试剂75-76
• 4.1.3 试验菌种76
• 4.1.4 培养基配制76
• 4.1.5 试剂的配置76
• 4.2 试验装置及仪器76-77
• 4.2.1 光合产氢装置76-77
• 4.2.2 试验仪器77
• 4.3 试验及分析方法77-79
• 4.3.1 高粱秸秆酶水解糖化77-78
• 4.3.2 酶水解料液光合产氢78
• 4.3.3 累积产氢量及产氢效率测定78
• 4.3.4 还原糖测定78
• 4.3.5 光照强度测定78
• 4.3.6 pH 测定78-79
• 4.4 结果与分析79-91
• 4.4.1 酶解糖化料液光合产氢中和试剂的确定79-81
• 4.4.2 酶解液离心对光合细菌产氢能力的影响81-84
• 4.4.3 不同秸秆浓度对光合产氢的影响84-87
• 4.4.4 接种量对光合菌利用酶解料液光合产氢的影响87-88
• 4.4.5 菌龄对光合混合菌利用酶解料液光合产氢的影响88-89
• 4.4.6 光照度对光合细菌混合菌群利用酶解料液光合产氢的影响89-91
• 4.5 本章小结91-93
• 第五章 结论与建议93-97
• 5.1 结论93-95
• 5.2 建议95-97
• 参考文献97-105
• ABSTRACT105-107
• 攻读博士学位期间发表的论文107

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