【摘要】：化石能源的大量使用及隨之而來的能源緊缺導(dǎo)致了能源危機及環(huán)境污染等一系列問題,利用生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物質(zhì)能源是解決這一系列問題最有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋�方向,近年來受到廣泛關(guān)注。林業(yè)廢棄物是一類高產(chǎn)量、易獲得和高纖維素含量的生物質(zhì)原料,可作為生物質(zhì)能源生產(chǎn)的可再生原料。未經(jīng)預(yù)處理的林業(yè)廢棄物不利于高效的生物質(zhì)能源生產(chǎn)。由于生物質(zhì)原料之間具有不同的天然結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分,通過研究找到特定生物質(zhì)原料最適合的預(yù)處理方法是非常必要的。本研究利用高壓均質(zhì)、水熱—化學(xué)和微波—化學(xué)三種預(yù)處理方法對林業(yè)廢棄物進(jìn)行預(yù)處理,對預(yù)處理的機理和水解效率進(jìn)行分析,并對這三種預(yù)處理方法的操作條件進(jìn)行了優(yōu)化。利用高壓均質(zhì)技術(shù)對草坪草、玉米秸稈、楸木木屑和松木木屑進(jìn)行預(yù)處理。發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)可以顯著提高生物質(zhì)原料的酶解效率。相比傳統(tǒng)預(yù)處理方法,草坪草經(jīng)過高壓均質(zhì)預(yù)處理,可以在不加熱、不添加化學(xué)試劑的條件下得到較好的預(yù)處理效果。經(jīng)高壓均質(zhì)后,四種生物質(zhì)原料的平均粒徑均下降；與酶的可接觸面積由于內(nèi)部爆破效應(yīng)得到了極大提高；在30 MPa的均質(zhì)壓力下,最優(yōu)的還原糖產(chǎn)糖量達(dá)到267.39 mg/g。高壓均質(zhì)預(yù)處理造成的半纖維素降解和粒徑的降低是酶解效率提高的主要原因。高壓均質(zhì)技術(shù)可以顯著提高生物質(zhì)原料的生物能轉(zhuǎn)化效率。在4種原料中,草坪草是最適合高壓均質(zhì)技術(shù)預(yù)處理的生物質(zhì)原料。楸木木屑是一種生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化潛力較高的原料,利用水熱—化學(xué)預(yù)處理方法對楸木木屑進(jìn)行預(yù)處理。發(fā)現(xiàn)水熱—堿預(yù)處理可以顯著提高原料的結(jié)晶度和酶解效率,而且水熱—Ca(OH)2的預(yù)處理效果優(yōu)于水熱-NaOH。水熱—堿預(yù)處理高效提高楸木木屑酶解效率的主要原因是半纖維素和木質(zhì)素的去除；水熱-Ca(OH)2相比水熱—NaOH可以保留更多的原料,是該方法預(yù)處理效果較優(yōu)的主要原因。經(jīng)優(yōu)化實驗發(fā)現(xiàn),在原料粒徑—40目、固含量9%、Ca(OH)2劑量1.75%(w/v)、預(yù)處理溫度160℃、預(yù)處理時間3 min、酶濃度150 FPU/g、酶解時間96h的優(yōu)化條件下,還原糖產(chǎn)量達(dá)到518.14 mg/g。為了進(jìn)一步提高熱能的轉(zhuǎn)化效率、節(jié)省能源,改用高熱傳導(dǎo)效率的微波方法進(jìn)行加熱,發(fā)現(xiàn)微波-Ca(OH)2預(yù)處理可以顯著提高楸木木屑的酶解效率。微波—水和微波—堿預(yù)處理均可以造成楸木木屑成分和結(jié)構(gòu)的變化；微波—堿預(yù)處理可以提高原料的結(jié)晶度和酶解效率。微波—堿預(yù)處理去除了原料中的部分半纖維素,導(dǎo)致原料中纖維素—半纖維素—木質(zhì)素網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞,使得纖維素更易被酶所水解,促進(jìn)了原料酶解效率的提高。微波-Ca(OH)2的預(yù)處理效果優(yōu)于微波-NaOH。經(jīng)優(yōu)化實驗發(fā)現(xiàn),在原料粒徑—40目、Ca(OH)2劑量為2.75%(w/v)、微波功率400 W、預(yù)處理時間6 min、酶濃度175 FPU/g、酶解時間96h的優(yōu)化條件下,還原糖產(chǎn)量達(dá)到402.73 mg/g。對高壓均質(zhì)預(yù)處理的草坪草和水熱-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2預(yù)處理后的楸木木木屑進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究。高壓均質(zhì)預(yù)處理的草坪草在厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生418 m1的沼氣,約為未預(yù)處理樣品的2.5倍；水熱-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2預(yù)處理后的楸木木木屑分別產(chǎn)沼氣721和706 ml,大概是未預(yù)處理樣品的2倍。樣品在預(yù)處理后均能在更短的時間產(chǎn)生更多的沼氣；而且產(chǎn)氣過程沒有時滯。
【圖文】：

圖１－１木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)（ＺｈｕａｎｄＺｈｕａｒｉｇ，２（ｎ２）逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｏｓｅ邋（Ｚｈｕ邋ａｎｄ邋Ｚｈｕａｎｇ，邋２０１２）逡逑

（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）含量變化的一個體現(xiàn)，而本研究中結(jié)晶度無論是降低逡逑還是升高，酶解效率都得到了不同程度的提高，說明不能僅憑結(jié)晶度的高低來判斷預(yù)逡逑處理效果的優(yōu)劣。從圖３－２可見，經(jīng)過高壓均質(zhì)預(yù)處理后，平均粒徑的順序為揪木木逡逑屑＞邋松木木屑＞邋玉米稻桿＞邋草坪草，與還原糖產(chǎn)量的順序是相反的。這一現(xiàn)象說明平均逡逑粒徑可能是表示高壓均質(zhì)預(yù)處理效果的一個重要指標(biāo)。再輔ＷＳＥＭ的觀察，發(fā)現(xiàn)生逡逑物質(zhì)原料無論是內(nèi)部面積還是外部面積都得到了較大的擴大，從而造成了原料與酶的逡逑接觸面積得到了提高。從Ｗ上一系列的機理研究可Ｗ發(fā)現(xiàn)，高壓均質(zhì)預(yù)處理方法對原逡逑料成分和結(jié)構(gòu)都有強烈的影響，，是一種劇烈的預(yù)處理方法。逡逑表３－３對比了幾種草本生物質(zhì)原料受到不同預(yù)處理后的還原糖產(chǎn)量，可Ｗ看出本逡逑研究中Ｗ草坪草為原料，Ｗ高壓均質(zhì)為預(yù)處理方法得到的還原糖產(chǎn)量要高于其他原料逡逑和方法的結(jié)合。草類具有低木質(zhì)素含量、低結(jié)晶度等特點
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S216.4;X72

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本文編號：2536342