水热预处理及酸/碱—水热预处理对玉米秸秆酶解产糖及厌氧发酵的影响

【摘要】：玉米秸秆是丰富的可再生生物质资源,全国每年产生大量的农作物秸秆,其中很大一部分被焚烧,不仅浪费资源,而且造成环境污染。以秸秆为原料生产甲烷是常用且有效的生物质资源化方式,有利于经济、环境、生态的可持续发展。由于玉米秸秆特殊的木质纤维结构使其生物降解性能低下,因此研究环境友好的高效秸秆水热预处理方法对玉米秸秆分解和产能具有重要意义。水热温度的提高能够去除半纤维素,预处理温度200℃时,半纤维素含量降至2.87%。水热温度为160℃时玉米秸秆酶解产糖量最高,酶解36 h后还原糖浓度为1.69 mg/mL,比空白高83.7%。180℃下水热预处理30 min,秸秆的产气效果最高,总产气量是空白的1.66倍。160℃下水热预处理120 min,半纤维素含量降至7.2%。160℃下水热预处理120 min,玉米秸秆酶解产糖量最高,36 h酶解后还原糖产量为1.56 mg/mL,是未经水热预处理玉米秸秆酶解产糖的2.43倍。在160℃下水热预处理30 min后,秸秆产气效果最好,累积产气量为1561 mL,是空白的2.06倍。固液比的改变对水热预处理玉米秸秆影响不大,不同固液比水热预处理条件下玉米秸秆半纤维素的含量变化很小。固液比为3:30条件下玉米秸秆酶解产糖效果最好。在水热预处理过程中添加一定量的H2S04或者NaOH能够改变玉米秸秆水热预处理的效果。NaOH能够中和水热预处理过程中产生的有机酸,阻碍了水热预处理对玉米秸秆表面的破坏作用,NaOH可以溶解木质素,促进玉米秸秆的生物降解性能。当NaOH添加量为0.5%wt时,NaOH-水热联合预处理的玉米秸秆经过48 h酶解后,产糖量是单独水热预处理的3.78倍：厌氧发酵产气量是单独水热预处理厌氧发酵产气量的1.46倍。添加H2SO4可以提高水热预处理过程中酸的浓度,促进水热预处理对玉米秸秆表面的破坏作用,进而促进玉米秸秆酶解产糖以及厌氧发酵产气。当H2SO4添加量为0.5%wt时,酶解产糖效果最好,是空白产糖的3.53倍。而H2SO4的添加对玉米秸秆厌氧产气促进效果不明显。 【关键词】：玉米秸秆 水热预处理 酶水解 厌氧发酵
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X712;S216.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1. 绪论7-26
• 1.1. 生物质的性质及组成7-10
• 1.1.1. 纤维素8-9
• 1.1.2. 半纤维素9
• 1.1.3. 木质素9-10
• 1.2. 秸秆的生物质能源利用10-15
• 1.2.1. 秸秆还田10-11
• 1.2.2. 秸秆饲料11
• 1.2.3. 秸秆产能11
• 1.2.4. 厌氧发酵技术11-15
• 1.3. 秸秆的预处理15-18
• 1.3.1. 物理预处理16-17
• 1.3.2. 化学预处理17-18
• 1.3.3. 生物预处理18
• 1.4. 水热预处理机理18-22
• 1.4.1. 高温液态水的性质19-21
• 1.4.2. 木质纤维素在水热预处理中的降解21-22
• 1.5. 课题的研究内容及研究方案22-26
• 1.5.1. 研究内容22-23
• 1.5.2. 研究方案23-24
• 1.5.3. 研究目标24-26
• 2. 实验内容与研究方法26-32
• 2.1. 实验原料26-27
• 2.1.1. 厌氧消化原料26
• 2.1.2. 接种污泥26
• 2.1.3. 实验药品26-27
• 2.2. 厌氧消化实验装置27
• 2.3. 实验仪器27-28
• 2.4. 实验方法28-29
• 2.4.1. 预处理温度的影响28
• 2.4.2. 预处理时间的影响28
• 2.4.3. 预处理固液比的影响28-29
• 2.4.4. 碱-水热联合对玉米秸秆的影响29
• 2.4.5. 酸-水热联合对玉米秸秆的影响29
• 2.5. 分析方法29-32
• 2.5.1. 秸秆物理化学性质的分析29-30
• 2.5.2. 秸秆生物降解性能分析30-32
• 3. 水热预处理对玉米秸秆酶解产糖和厌氧发酵的影响32-51
• 3.1. 预处理温度的影响32-40
• 3.1.1. 表面结构的变化32-34
• 3.1.2. 物理化学性质的变化34-37
• 3.1.3. 秸秆酶解产糖的变化37
• 3.1.4. 厌氧发酵产沼气37-40
• 3.2. 预处理时间的影响40-46
• 3.2.1. 表面结构的变化40-41
• 3.2.2. 物理化学性质的变化41-43
• 3.2.3. 酶解产糖的变化43-44
• 3.2.4. 厌氧发酵的变化44-46
• 3.3. 预处理固液的影响46-49
• 3.3.1. 表面结构的变化46-47
• 3.3.2. 物理化学性质的变化47-48
• 3.3.3. 酶解产糖的变化48-49
• 3.4. 小结49-51
• 4. 酸/碱-水热联合预处理对玉米秸秆酶解产糖和厌氧发酵的影响51-60
• 4.1. 表面结构的变化51-54
• 4.2. 物理化学性质的变化54
• 4.3. 添加酸/碱对玉米秸秆酶解产糖的变化54-55
• 4.4. 厌氧发酵的变化55-58
• 4.5. 小结58-60
• 5. 结论与建议60-61
• 5.1. 结论60
• 5.2. 建议60-61
• 参考文献61-67
• 个人简介67-68
• 导师简介68-69
• 获得成果目录69-70
• 致谢70

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