生物質(zhì)高效水解及發(fā)酵產(chǎn)氫的機(jī)理研究.pdf

1、隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格和化石能源的日益短缺，氫能作為清潔高效的可再生能源受到人們的普遍重視。本文針對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)秸稈以及世界十大惡性雜草之一的水葫蘆進(jìn)行了厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)研究。 首先針對(duì)稻草秸稈，在比較酶水解和酸水解優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了纖維素酶水解的綠色工藝。研究了預(yù)處理方法、反應(yīng)時(shí)間、水解溫度及pH值等因素對(duì)稻草秸稈纖維素酶水解的還原糖轉(zhuǎn)化率的影響規(guī)律，確定了稻草秸稈微生物發(fā)酵產(chǎn)氫前采用纖維素酶水解時(shí)，pH為4.8以及反應(yīng)

2、溫度為50℃的較佳工況點(diǎn)。 稻草秸稈的水解效果是發(fā)酵產(chǎn)氫的關(guān)鍵點(diǎn)之一，本文提出了生物質(zhì)超臨界水高效降解以及微生物發(fā)酵產(chǎn)氫，采用稻草秸稈近臨界水解在280℃和20Mpa等優(yōu)化條件下獲得了較高的還原糖轉(zhuǎn)化率。并分別討論了物料濃度、水解溫度、水解壓力以及水解反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)對(duì)稻草秸稈近臨界水降解還原糖轉(zhuǎn)化率的影響。采用色質(zhì)聯(lián)機(jī)分析技術(shù)對(duì)液體產(chǎn)物中糖以外的副產(chǎn)物進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中主要成分為一些含甲基、乙基、甲氧基、羥基等官能團(tuán)的酮

3、類、醛類、醇類和酸類極性化合物。采用一級(jí)均相反應(yīng)模型模擬了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)曲線。 在纖維素酶水解的基礎(chǔ)上，分別討論不同的預(yù)處理方式、不同來(lái)源的混合菌群以及不同的菌群接種方式對(duì)稻草秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。由于秸稈水解產(chǎn)物中包含多種還原糖，其中五碳糖木糖的發(fā)酵液相產(chǎn)物中丙酸含量偏高，乙酸、丁酸含量較低，導(dǎo)致NADH含量較低，因此其發(fā)酵產(chǎn)氫能力低于六碳糖。這也是不同發(fā)酵底料發(fā)酵產(chǎn)氫存在差異的原因之一。針對(duì)不同

4、糖源，討論了產(chǎn)氣腸桿菌以及混合菌群發(fā)酵產(chǎn)氫特性。由于混菌間的協(xié)同作用，因此混菌的發(fā)酵能力優(yōu)于純菌。而混菌發(fā)酵產(chǎn)氫也會(huì)因?yàn)榫簛?lái)源以及接種方式的不同而有所差異。在上述研究的基礎(chǔ)上，討論了溫度、pH值以及稻草秸稈粒徑等影響因子對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。并通過(guò)修正的Gompertz方程擬合發(fā)酵產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)曲線。經(jīng)過(guò)NaOH預(yù)處理后的稻草單位最大總產(chǎn)氫量可達(dá)到91.5mL/g，最高產(chǎn)氫速率為1.52mL/h·g。 在稻草秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫研究的基礎(chǔ)上，

5、采用厭氧活性污泥為接種物，以水葫蘆作為發(fā)酵底料進(jìn)行產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)水葫蘆不同部位對(duì)于水域內(nèi)金屬離子吸附能力的差異性，考察了水葫蘆不同部位的發(fā)酵產(chǎn)氫能力，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)討論不同金屬Fe<'2+>、Mg<'2+>、Cu<'2+>、Ni<'2+>、和Zn<'2+>離子及其濃度對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫的影響，提出過(guò)量的金屬離子對(duì)于微生物發(fā)酵產(chǎn)氫存在抑制作用，從而導(dǎo)致了水葫蘆不同部位發(fā)酵產(chǎn)氫能力的差異。在實(shí)驗(yàn)室三角燒瓶的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用5L容積的發(fā)酵罐進(jìn)行