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用于厭氧發(fā)酵的秸稈類生物質(zhì)堿法改性與甲烷—甲醇生物轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究

發(fā)布時(shí)間:2020-11-18 08:17
   木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是生產(chǎn)生物質(zhì)能源的一個(gè)豐富的可再生底物來(lái)源,它可以通過(guò)減少對(duì)化石能源的依賴和降低溫室氣體的排放來(lái)提高能源和環(huán)境的安全。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)通過(guò)厭氧發(fā)酵(AD)產(chǎn)甲烷,因其操作簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,且溫室氣體排放低而備受青睞。然而,阻止該技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程的一個(gè)重要因素是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的難降解性。盡管有許多預(yù)處理方法已經(jīng)被研究和采用,但是對(duì)于非常具有前景的能源作物,比如,蘆竹,關(guān)于其預(yù)處理方法對(duì)比研究的報(bào)道仍舊很有限。另一個(gè)因素則是甲烷的低能量密度,以及儲(chǔ)存,運(yùn)輸,和分配的難度大。利用甲烷氧化菌氧化氣態(tài)甲烷為液態(tài)甲醇則是一個(gè)可行的解決途徑。同時(shí),厭氧發(fā)酵過(guò)程所產(chǎn)甲烷中硫化氫的存在會(huì)抑制甲烷氧化菌的活性,也需要對(duì)其開(kāi)展深入研究。本課題中,開(kāi)展了蘆竹高溫液態(tài)水(LHW)預(yù)處理,氫氧化鈉(NaOH)預(yù)處理耦合或不耦合堿液回用,以及氫氧化鈣(Ca(OH)_2)預(yù)處理關(guān)于提高纖維素酶降解能力和甲烷產(chǎn)量的對(duì)比研究。此外,通過(guò)降低額外費(fèi)用投入的玉米秸稈同步氫氧化鈣處理的固態(tài)厭氧發(fā)酵(SS-AD)被用來(lái)進(jìn)一步提高甲烷產(chǎn)量。為了解決沼氣向甲醇生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中出現(xiàn)的硫化氫的抑制問(wèn)題,一個(gè)甲烷氧化菌混合菌群,從暴露在4000 ppm硫化氫的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中被篩選獲得。且開(kāi)展了該混合菌群的微生物群落分析,以及硫化氫和氣/液培養(yǎng)基組成對(duì)該混合菌群生長(zhǎng)和產(chǎn)甲醇的影響的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下:(1)相較于高溫液態(tài)水預(yù)處理,堿處理由于處理強(qiáng)度低而保留了更多的蘆竹干物質(zhì)。在這兩種預(yù)處理方法最優(yōu)的條件下,高溫液態(tài)水預(yù)處理(190oC,15 min)和堿處理(20 g/L的氫氧化鈉,24 h)后的蘆竹的葡萄糖的產(chǎn)量相較于不處理的蘆竹的葡萄糖產(chǎn)量提高了2倍多,然而,相較于不處理的蘆竹的甲烷產(chǎn)量(217 L/kg VS),只有堿處理顯著地(p0.05)提高了甲烷的累積產(chǎn)量,提高量為63%。高溫液態(tài)水(LHW)預(yù)處理由于其高的能量投入使得凈電能產(chǎn)量為負(fù)值。堿處理相較于不處理的蘆竹(3,859kJ/kg初始總物質(zhì)),其凈電能生產(chǎn)提高了27%,但是堿液需要通過(guò)再利用來(lái)提高整個(gè)過(guò)程的凈收益。(2)蘆竹的氫氧化鈉預(yù)處理耦合堿液回用和氫氧化鈣預(yù)處理就酶解消化和甲烷生產(chǎn)等方面進(jìn)行了比較研究。在酶水解過(guò)程中,蘆竹的氫氧化鈉預(yù)處理耦合堿液回用提高了2.6倍的蘆竹葡萄糖產(chǎn)量,并在厭氧發(fā)酵過(guò)程中,提高了1.4-1.6倍的甲烷產(chǎn)量。然而,氫氧化鈉預(yù)處理的凈收益(增加的能源收益減去化學(xué)藥品費(fèi)用)為負(fù)。7-20%氫氧化鈣預(yù)處理不僅分別提高了2.3倍和1.4倍的葡萄糖產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量,同時(shí)獲得了$1.1-5.8/公噸TS的凈收益。(3)提出了玉米秸稈同步氫氧化鈣處理固態(tài)厭氧發(fā)酵(SS-AD),用來(lái)評(píng)估低成本投入情況下提高甲烷產(chǎn)量的可行性。在玉米秸稈的固態(tài)厭氧發(fā)酵過(guò)程中,當(dāng)F/I為6,氫氧化鈣的添加量為2-3.5%時(shí),甲烷的產(chǎn)量由118 L/kg VS提高到了173-182 L/kg VS(46-54%的提高量)。然而,當(dāng)F/I為8和10時(shí),玉米秸稈的固態(tài)厭氧發(fā)酵過(guò)程并沒(méi)有因?yàn)闅溲趸}添加(2-5%)而獲得成功。微生物群落分析表明3.5%的氫氧化鈣處理實(shí)際上提高了在生物質(zhì)降解和甲烷生產(chǎn)過(guò)程中起重要作用的微生物的相對(duì)豐富度(門(mén)分類水平上的Thermotogae and Euryarchaeota,和屬分類水平上的Alkaliphilus,Bacillus,S1,and Methanobacterium)。相較于沒(méi)有氫氧化鈣添加的玉米秸稈的固態(tài)厭氧發(fā)酵,同步氫氧化鈣處理(2-3.5%的氫氧化鈣添加)和固態(tài)厭氧發(fā)酵可以獲得$8.3-12.0/公噸TS的凈收益。(4)一個(gè)耐受高濃度硫化氫的甲烷氧化菌混合菌群從厭氧發(fā)酵殘?jiān)蟹蛛x得到,其中Cyanobacteria(占據(jù)整體菌種序列的32.04%)是該混菌中的優(yōu)勢(shì)菌種,其次分別是Proteobacteria(31.55%),Bacteroidetes(29.94%),Chlorobi(5.87%)。混合菌群在含有4000 ppm硫化氫的甲烷空氣混合氣中可以穩(wěn)定生長(zhǎng),并且基于甲烷的細(xì)胞有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)量在不同的硫化氫濃度(0 ppm,1000 ppm,2000 ppm,和4000 ppm)下沒(méi)有顯著差異(p0.05);诩淄榈募(xì)胞有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)的最優(yōu)條件為甲烷空氣比1:4,pH 6.8,和溫度37℃,此時(shí)0.333 g細(xì)胞干重/g甲烷的細(xì)胞有機(jī)質(zhì)被獲得。(5)甲醇生產(chǎn)的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:最佳的產(chǎn)甲醇的條件為磷酸鹽濃度50 mM,甲酸鈉濃度100mM,和甲烷空氣比1:1,此時(shí)甲醇濃度為0.28 mg/mL,甲醇產(chǎn)量為0.22 mol/mol甲烷。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,甲烷氧化菌群的最優(yōu)產(chǎn)甲烷條件為磷酸鹽濃度50 mM,甲酸鈉濃度100 mM,甲烷空氣比1:2,且甲酸鈉對(duì)甲烷氧化菌群的甲烷產(chǎn)量的影響最大。甲烷氧化菌群在不同硫化氫濃度(0 ppm,1000 ppm,2000 ppm,和4000 ppm)下甲烷轉(zhuǎn)化效率沒(méi)有顯著的差異,表明甲烷氧化菌群可以耐受4000 ppm或者更高濃度的硫化氫。該混合菌群可以用于甲烷向甲醇的生物轉(zhuǎn)換且不需要去除硫化氫。
【學(xué)位單位】:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位年份】:2018
【中圖分類】:S216
【部分圖文】:

能源,消耗量,全球,文獻(xiàn)


(a) (b)圖 1.1. 1990 年-2040 年期間,全球不同類型能源的消耗量(a), 引自文獻(xiàn) [4] 和 2012 年至 2040 年期間,基于不同類型能源的凈電能 (b),引自文獻(xiàn) [5].Fig. 1.1. During1990-2040, total consumption of different types of energy in world (a), adapted from reference [4], and during2012-2040, net eleticity generation from different types of energy (b), adapted from [5].化石能源的大量使用不僅會(huì)造成這些不可再生能源的短缺,同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響,其中溫

生物燃料,生物能量,可持續(xù)技術(shù),生物材料


圖 1.2. 完全整合農(nóng)業(yè)-生物燃料-生物材料-生物能量圈的可持續(xù)技術(shù),圖引自文獻(xiàn) [10].Fig.1.2. The full intrgrated agro-biofuel-biomaterial-biopower for sustainable technology, adapted from reference生物質(zhì)能源

生物質(zhì),能量,文獻(xiàn),初級(jí)能源


圖 1.3. 來(lái)自生物質(zhì)的能量,引自文獻(xiàn) [12].Fig.1.3. Energy from biomass, adapted from [12].分的市政固體廢棄物 (MSW),作物秸稈,畜禽糞便,林地3]。目前,全世界的初級(jí)能源消耗體量中生物質(zhì)能占據(jù)了 1。Matsumura 等 [15] 評(píng)估了在日本農(nóng)作物秸稈 (稻草) 作

本文編號(hào):2888515

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