【摘要】：纖維素類生物質(zhì)資源量豐富，可通過直接或間接發(fā)酵途徑轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫，因此在我國研究開發(fā)秸稈類生物質(zhì)的纖維素的轉(zhuǎn)化技術(shù)并將其用于產(chǎn)氫具有較大的優(yōu)勢，對開發(fā)替代能源，保護生態(tài)環(huán)境具有非常重要的現(xiàn)實意義。用秸稈來發(fā)酵產(chǎn)氫的瓶頸就在于秸稈中木質(zhì)纖維素的水解，預處理是水解前的關鍵環(huán)節(jié)，是秸稈類生物質(zhì)產(chǎn)氫經(jīng)濟性的重要制約因素，因此有必要對不同類型秸稈類生物質(zhì)的纖維素結(jié)構(gòu)，及秸稈類生物質(zhì)超微預處理工藝進行系統(tǒng)的研究。 本論文在是國家自然科學基金項目“超微化秸稈類生物質(zhì)光合連續(xù)產(chǎn)氫過程及代謝熱研究”（項目編號：50976029）的資助下完成的。利用還原糖得率作為考察指標，優(yōu)化了秸稈類生物質(zhì)超微預處理工藝，并借助掃描電子顯微鏡和紅外光譜、X射線衍射等技術(shù)分析了超微粉碎后原料表面形貌及組成、結(jié)構(gòu)的變化，綜合各方因素，確定了以秸稈類物質(zhì)作為產(chǎn)氫原料的最佳原料類型和最佳預處理條件，將超微后底物進行產(chǎn)氫實驗，進一步驗證了超微預處理酶解用于產(chǎn)氫技術(shù)的技術(shù)可行性，最后，對超微預處理用于光合產(chǎn)氫及高值化利用過程中的產(chǎn)出-費用比（ΔB/ΔC）進行分析，研究其經(jīng)濟可行性，旨在為以秸稈類生物質(zhì)超微粉碎用于光合產(chǎn)氫的研究提供參考和依據(jù)。結(jié)果表明： （1）經(jīng)過超微球磨預處理，不同類型秸稈類生物質(zhì)的纖維素結(jié)構(gòu)均得到有效破壞，玉米芯由于其結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率大，且纖維素含量多，木質(zhì)素的包裹作用最不明顯，球磨后酶解產(chǎn)糖量最高，糖化率高達46.88%，確定了玉米芯為超微預處理用于產(chǎn)氫的最佳原料類型。 （2）通過單因素和從正交實驗設計，對產(chǎn)氫用秸稈類生物質(zhì)超微預處理工藝進行優(yōu)化，找出了各因素對還原糖得率的影響主次關系依次為：球料比、球磨時間、原料初始粒徑。由方差分析可知，球料比的影響是最為顯著的影響因素。由正交驗證實驗結(jié)果可知，較適宜的超微預處理工藝為，原料初始粒徑為0.45mm，球料比20:1，球磨時間為2h。 （3）由FTIR分析，可知不同類型秸稈類生物質(zhì)經(jīng)過球磨預處理后，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素各組分均不同，且吸光度也有明顯差別。對球磨超微粉碎后的玉米秸稈及玉米芯試樣進行X射線衍射分析，可知球磨粉碎后玉米秸稈和玉米芯的衍射強度均低于未球磨情況下，球磨超微粉碎能夠有效降低秸稈類生物質(zhì)的纖維素結(jié)晶度，玉米秸稈和玉米芯的衍射峰位置基本一致。對超微粉碎后的玉米秸稈及玉米芯試樣進行SEM表征分析，可知球磨超微粉碎使其細胞壁被有效打開，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著改變，有效表面積增大，結(jié)構(gòu)變得疏松多孔。通過對正交試驗過程中球磨后各組玉米芯的粒徑分布范圍進行分析，得出，粒徑范圍的變化總體上與還原糖得率的關系為，還原糖得率越高，粒徑分布越小，還原糖得率越低，粒徑分布范圍越大，驗證了粒徑大小對超微秸稈類生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖效果具有顯著影響。對各組球磨后玉米芯的比表面積進行分析，并結(jié)合粒徑分布表可以看出，超微微粒的顆粒越小，其比表面積越大，且其還原糖得率越大。 （4）用各粉碎后秸稈的酶解反應液接種光合產(chǎn)氫菌進行代謝產(chǎn)氫，各類秸稈的累積產(chǎn)氫量大小規(guī)律與其酶解得糖率規(guī)律一致，說明秸稈類生物質(zhì)酶解所產(chǎn)糖類能有效用于光合生物制氫過程。并確定了玉米芯為本文所選5種不同原料類型中最佳的產(chǎn)氫原料 （5）通過對球磨超微預處理過程的經(jīng)濟可行性進行分析，可以看出，ΔB/ΔC的最大值出現(xiàn)在原料初始粒徑0.125mm，球磨時間0.5h。
【學位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TK91
【圖文】：

圖 1-2 厭氧微生物發(fā)酵產(chǎn)氫示意圖Fig. 1-2 Schematic of hydrogen production by anaerobic microbial fermentation2)光合微生物法制氫 光合微生物法制氫是指微生物（細菌或藻類）通過光合作用將底物分解產(chǎn)生氫氣的方法。藻類（如綠藻等）在光照條件下，通過光合作用分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，所以通常也稱為光分解水產(chǎn)氫途徑，其作用機理和綠色植物光合作用機理相似，光合作用路線見圖 1-3。在這一光合系統(tǒng)中，具有兩個雖然獨立但是協(xié)調(diào)起作用的光合作用中心：能夠接收太陽能，分解水產(chǎn)生 H+、電子和 O2的光合系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）以及會產(chǎn)生還原劑，用來固定 CO2的光合系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）。PSⅡ產(chǎn)生的電子，由鐵氧化還原蛋白攜帶著經(jīng)由 PSⅡ和 PSⅠ到達產(chǎn)氫酶，H+在產(chǎn)氫酶的催化作用下在一定的條件下形成 H2。產(chǎn)氫酶是所有生物產(chǎn)氫的關鍵因素，綠色植物由于沒有產(chǎn)氫酶，所以不能產(chǎn)生氫氣，這是藻類和綠色植物光合作用過程的重要區(qū)別所在。厭氧微生物 分解底物 預處理農(nóng)產(chǎn)品 有機廢棄物

河南農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 作用的細菌，而且具有隨環(huán)境條件變化而改變自身代謝類型的特年以前）出現(xiàn)的，具有原始光能合成體系的原核生物，廣泛分布于污泥和土壤中。1937 年 Nakamura 觀察到 PSB 在黑暗中釋放氫氣en 報道了深紅螺菌（odospirilum rubrum）光照條件下的產(chǎn)氫現(xiàn)合固氮作用。這以后的許多研究表明，光照條件下產(chǎn)氫和固氮在 菌與綠藻相比，其光合放氫過程中不產(chǎn)氧，只產(chǎn)氫，且產(chǎn)氫純度氫原理如圖 1-4 所示 。

河南農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 認為光合細菌產(chǎn)氫由固氮酶催化，已經(jīng)證明光合細菌可利用多種有機酸、食產(chǎn)品加工的下腳料產(chǎn)氫。光合細菌所固有的只有一個光合作用中心的特殊簡定了它所固有的相對較高的光轉(zhuǎn)化效率。細菌和光合細菌聯(lián)合產(chǎn)氫 厭氧細菌產(chǎn)氫和光合細菌產(chǎn)氫聯(lián)合起來組成的稱為混合產(chǎn)氫途徑。圖 1-5 給出了混合產(chǎn)氫系統(tǒng)中發(fā)酵細菌和光合細菌利用的生物化學途徑和自由能變化。厭氧細菌可以將各種有機物分解成有機酸獲自身生長所需的能量和還原力，為消除電子積累產(chǎn)生出部分氫氣。
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本文編號：2841500