秸秆类生物质超微预处理技术及其产氢可行性研究

【摘要】：纤维素类生物质资源量丰富，可通过直接或间接发酵途径转化产氢，因此在我国研究开发秸秆类生物质的纤维素的转化技术并将其用于产氢具有较大的优势，对开发替代能源，保护生态环境具有非常重要的现实意义。用秸秆来发酵产氢的瓶颈就在于秸秆中木质纤维素的水解，预处理是水解前的关键环节，是秸秆类生物质产氢经济性的重要制约因素，因此有必要对不同类型秸秆类生物质的纤维素结构，及秸秆类生物质超微预处理工艺进行系统的研究。 本论文在是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。利用还原糖得率作为考察指标，优化了秸秆类生物质超微预处理工艺，并借助扫描电子显微镜和红外光谱、X射线衍射等技术分析了超微粉碎后原料表面形貌及组成、结构的变化，综合各方因素，确定了以秸秆类物质作为产氢原料的最佳原料类型和最佳预处理条件，将超微后底物进行产氢实验，进一步验证了超微预处理酶解用于产氢技术的技术可行性，最后，对超微预处理用于光合产氢及高值化利用过程中的产出-费用比（ΔB/ΔC）进行分析，研究其经济可行性，旨在为以秸秆类生物质超微粉碎用于光合产氢的研究提供参考和依据。结果表明： （1）经过超微球磨预处理，不同类型秸秆类生物质的纤维素结构均得到有效破坏，玉米芯由于其结构疏松，孔隙率大，且纤维素含量多，木质素的包裹作用最不明显，球磨后酶解产糖量最高，糖化率高达46.88%，确定了玉米芯为超微预处理用于产氢的最佳原料类型。 （2）通过单因素和从正交实验设计，对产氢用秸秆类生物质超微预处理工艺进行优化，找出了各因素对还原糖得率的影响主次关系依次为：球料比、球磨时间、原料初始粒径。由方差分析可知，球料比的影响是最为显著的影响因素。由正交验证实验结果可知，较适宜的超微预处理工艺为，原料初始粒径为0.45mm，球料比20:1，球磨时间为2h。 （3）由FTIR分析，可知不同类型秸秆类生物质经过球磨预处理后，纤维素、半纤维素和木质素各组分均不同，且吸光度也有明显差别。对球磨超微粉碎后的玉米秸秆及玉米芯试样进行X射线衍射分析，可知球磨粉碎后玉米秸秆和玉米芯的衍射强度均低于未球磨情况下，球磨超微粉碎能够有效降低秸秆类生物质的纤维素结晶度，玉米秸秆和玉米芯的衍射峰位置基本一致。对超微粉碎后的玉米秸秆及玉米芯试样进行SEM表征分析，可知球磨超微粉碎使其细胞壁被有效打开，微观结构发生了显著改变，有效表面积增大，结构变得疏松多孔。通过对正交试验过程中球磨后各组玉米芯的粒径分布范围进行分析，得出，粒径范围的变化总体上与还原糖得率的关系为，还原糖得率越高，粒径分布越小，还原糖得率越低，粒径分布范围越大，验证了粒径大小对超微秸秆类生物质酶解产糖效果具有显著影响。对各组球磨后玉米芯的比表面积进行分析，并结合粒径分布表可以看出，超微微粒的颗粒越小，其比表面积越大，且其还原糖得率越大。 （4）用各粉碎后秸秆的酶解反应液接种光合产氢菌进行代谢产氢，各类秸秆的累积产氢量大小规律与其酶解得糖率规律一致，说明秸秆类生物质酶解所产糖类能有效用于光合生物制氢过程。并确定了玉米芯为本文所选5种不同原料类型中最佳的产氢原料 （5）通过对球磨超微预处理过程的经济可行性进行分析，可以看出，ΔB/ΔC的最大值出现在原料初始粒径0.125mm，球磨时间0.5h。 【关键词】：秸秆类生物质 超微预处理 光合细菌 产氢 可行性研究
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK91
【目录】：

• 致谢4-5
• 目录5-8
• 摘要8-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 秸秆类生物质资源11
• 1.3 生物质制氢技术11-16
• 1.4 秸秆类生物质的预处理技术16-20
• 1.4.1 秸秆类生物质的组成及结构16
• 1.4.2 秸秆类生物质预处理目的及效果16-17
• 1.4.3 秸秆类生物质的预处理17-20
• 1.4.4 秸秆类生物质纤维的酶水解20
• 1.5 秸秆类生物质的超微粉碎20-21
• 1.6 课题研究意义21-22
• 2 实验材料、设备与方法22-30
• 2.1 实验材料22-23
• 2.1.1 实验原材料22
• 2.1.2 试验用试剂22-23
• 2.2 主要实验设备23-24
• 2.3 实验方法24-30
• 2.3.1 秸秆类生物质超微预处理方法24-25
• 2.3.2 秸秆类生物质超微预处理后微观结构的表征方法25-27
• 2.3.3 秸秆类生物质酶水解实验方法27
• 2.3.4 还原糖得率的测定方法27-29
• 2.3.5 光合细菌培养方法29
• 2.3.6 秸秆类生物质产氢实验方法29
• 2.3.7 氢气产量和含量的测定29-30
• 3 原料类型优化30-32
• 3.1 原料类型优化的目的30
• 3.2 原料类型的优化30-32
• 3.3 结果分析32
• 4 超微预处理工艺的单因素分析32-37
• 4.1 球磨时间对还原糖得率的影响33
• 4.2 原料初始粒径对还原糖得率的影响33-34
• 4.3 球料比对还原糖得率的影响34-35
• 4.4 研磨球种类对还原糖得率的影响35-36
• 4.5 小结36-37
• 5.综合因素条件下超微预处理工艺的优化37-40
• 5.1 正交实验的目的和思路37
• 5.2 确定因素及各因素的水平37
• 5.3 试验结果与分析37-39
• 5.4 小结39-40
• 6 超微预处理对典型秸秆类生物质微观结构的影响40-48
• 6.1 官能团的 FTIR 分析40-42
• 6.2 结晶度的 X 射线衍射分析42-44
• 6.3 扫描电镜分析44
• 6.4 能谱分析44-46
• 6.5 粒度46-47
• 6.6 比表面积47
• 6.7 小结47-48
• 7 球磨预处理后秸秆类生物质产氢可行性验证48-49
• 7.1 不同类型秸秆类生物质产氢能力验证48-49
• 7.2 各因素水平下秸秆类生物质产氢能力验证49
• 7.3 小结49
• 8 球磨预处理经济可行性分析49-51
• 9 结论和建议51-56
• 9.1 结论52-55
• 9.2 建议55-56
• 参考文献56-62
• ABSTRACT62-64

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