玉米秸秆厌氧发酵生物制氢的实验研究

【摘要】： 厌氧发酵生物制氢工艺是利用生物技术分解有机废弃物制备氢气,设备简单、操作容易,既实现了废弃物资源化,而且成本低廉,被认为是前景最好的制氢方法。本文以天然河底污泥为厌氧产氢微生物来源,以玉米秸秆为发酵底物制备氢气,考察了底物的预处理和酶解对底物产氢能力的影响,并设计正交实验探讨了发酵产氢的最优条件。 针对玉米秸秆结构致密、难于直接被酶水解的特点,首先分别采用盐酸、氢氧化钠等对玉米秸秆进行了预处理。结果表明,采用0.6%盐酸在90℃下浸泡玉米秸秆2h,底物的发酵产氢潜势最高,预处理的效果最好,累积产氢量58.69ml·g~(-1)-CS。几乎比未处理的玉米秸秆产氢量提高120%。 在酸处理基础上采用纤维素酶水解,考察了酶解温度、酶解时间和酶解pH值对玉米秸秆产氢能力的影响。研究结果表明,酸处理后酶解进一步提高了玉米秸秆的产氢潜势。在0.6%盐酸预处理、酶解温度50℃、酶解时间72h和酶解pH4.8的条件下,最大累积产氢量104.30ml·g~(-1)-CS,比只经过盐酸处理的玉米秸秆产氢量提高77.7%,是未处理的玉米秸秆产氢量的3倍。 本课题组在发酵产氢生态因子的影响方面作了一系列单因素探索实验,影响玉米秸秆生物制氢的因素有很多,结合本实验室具体条件,本文选择酶解温度、酶解时间、底物浓度和发酵初始pH值为考察对象,以累积产氢量评价产氢效果,设计了4因素3水平(L_9(3~4))的正交实验。实验结论如下:(1)发酵反应过程最主要的限制因子是底物浓度;(2)经过正交实验优化后,玉米秸秆的产氢能力得到很大的提高,累积产氢量和平均产氢速率分别达到了141.29ml·g~(-1)-CS和12.31ml·g~(-1)-CS·h~(-1)。优化后的产氢实验过程如下:在90℃时,以固液比(g:mL)为1:10的0.6%盐酸浸泡底物2h,再加入与底物质量比为0.01:1的纤维素酶,在溶液pH值4.8、温度50℃下酶解72h;将上述的酶解物在36℃下以底物浓度为10g·L~(-1),初始pH值为7.0的条件下发酵。 【关键词】：生物制氢 厌养发酵 天然污泥 玉米秸科 预处理 酶解 正交设计
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 引言9-22
• 1.1 选题背景9-10
• 1.1.1 我国农作物秸秆的分布及性质9-10
• 1.1.2 农作物秸秆的利用途径10
• 1.2 秸秆的厌氧发酵处理10-12
• 1.2.1 秸秆厌氧发酵处理的可行性10-11
• 1.2.2 秸秆厌氧发酵处理的反应过程11-12
• 1.3 生物制氢技术12-14
• 1.3.1 生物制氢技术分类12
• 1.3.2 厌氧发酵产氢微生物的培养方式12-13
• 1.3.3 国内外厌氧发酵生物制氢技术的研究现状及趋势13-14
• 1.4 本课题的研究思路、目标与内容14-17
• 1.4.1 研究思路14
• 1.4.2 研究目标14-15
• 1.4.3 研究内容15-17
• 参考文献17-22
• 第二章 实验仪器及分析方法22-28
• 2.1 实验材料与仪器22
• 2.1.1 实验材料22
• 2.1.2 实验仪器22
• 2.2 实验装置22-23
• 2.3 实验方法23-24
• 2.3.1 菌种来源与培养23
• 2.3.2 实验运行与操作23-24
• 2.3.3 底物酸碱预处理实验24
• 2.3.4 底物预处理后的酶解实验24
• 2.4 分析方法24-27
• 2.4.1 气相组分分析25
• 2.4.2 液相末端产物的检测25-27
• 参考文献27-28
• 第三章 玉米秸秆预处理实验研究28-38
• 3.1 玉米秸秆的组成与性质28
• 3.2 酸处理对玉米秸秆产氢能力的影响28-33
• 3.2.1 酸处理对纤维素结构的影响28-29
• 3.2.2 不同浓度盐酸预处理对玉米秸秆发酵产氢的影响29-33
• 3.2.3 各种酸处理对玉米秸秆发酵产氢的对比33
• 3.3 碱处理对玉米秸秆产氢能力的影响33-36
• 3.3.1 碱处理对纤维素结构的影响33-34
• 3.3.2 不同浓度NaOH预处理对玉米秸秆发酵产氢的影响34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 参考文献37-38
• 第四章 纤维素酶对预处理过的玉米秸秆发酵产氢能力的影响38-54
• 4.1 纤维素的酶解38-39
• 4.1.1 纤维素酶的组分38
• 4.1.2 影响纤维素酶催化效率的因素38
• 4.1.3 影响纤维素酶催化速度的因素38-39
• 4.1.4 纤维素酶水解机理39
• 4.2 酶解对玉米秸秆发酵产氢的影响39-45
• 4.2.1 酶解温度对玉米秸秆产氢效率的影响39-41
• 4.2.2 酶解时间对玉米秸秆产氢效率的影响41-43
• 4.2.3 酶解pH值对玉米秸秆产氢效率的影响43-45
• 4.3 盐酸预处理并酶解底物对产氢能力的影响45-49
• 4.4 玉米秸秆的扫描电镜图49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 参考文献52-54
• 第五章 单因素及正交实验54-67
• 5.1 底物浓度对玉米秸秆产氢效率的影响54-56
• 5.2 发酵初始pH值对玉米秸秆产氢效率的影响56-59
• 5.3 正交实验设计结果及讨论59-63
• 5.4 发酵底物代谢途径63-65
• 5.4.1 氢气浓度和产氢速率随时间的变化63-64
• 5.4.2 液相发酵产物的代谢类型64-65
• 5.5 本章小结65-66
• 参考文献66-67
• 第六章 工作总结和建议67-69
• 6.1 结论67
• 6.2 对本课题研究的建议67-69
• 硕士期间发表论文69-70
• 致谢70

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