【摘要】：化石能源的大量使用及隨之而來的能源緊缺導致了能源危機及環(huán)境污染等一系列問題,利用生物質原料生產生物質能源是解決這一系列問題最有發(fā)展?jié)摿Φ囊粋�方向,近年來受到廣泛關注。林業(yè)廢棄物是一類高產量、易獲得和高纖維素含量的生物質原料,可作為生物質能源生產的可再生原料。未經預處理的林業(yè)廢棄物不利于高效的生物質能源生產。由于生物質原料之間具有不同的天然結構和化學成分,通過研究找到特定生物質原料最適合的預處理方法是非常必要的。本研究利用高壓均質、水熱—化學和微波—化學三種預處理方法對林業(yè)廢棄物進行預處理,對預處理的機理和水解效率進行分析,并對這三種預處理方法的操作條件進行了優(yōu)化。利用高壓均質技術對草坪草、玉米秸稈、楸木木屑和松木木屑進行預處理。發(fā)現高壓均質可以顯著提高生物質原料的酶解效率。相比傳統(tǒng)預處理方法,草坪草經過高壓均質預處理,可以在不加熱、不添加化學試劑的條件下得到較好的預處理效果。經高壓均質后,四種生物質原料的平均粒徑均下降；與酶的可接觸面積由于內部爆破效應得到了極大提高；在30 MPa的均質壓力下,最優(yōu)的還原糖產糖量達到267.39 mg/g。高壓均質預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。高壓均質技術可以顯著提高生物質原料的生物能轉化效率。在4種原料中,草坪草是最適合高壓均質技術預處理的生物質原料。楸木木屑是一種生物質能轉化潛力較高的原料,利用水熱—化學預處理方法對楸木木屑進行預處理。發(fā)現水熱—堿預處理可以顯著提高原料的結晶度和酶解效率,而且水熱—Ca(OH)2的預處理效果優(yōu)于水熱-NaOH。水熱—堿預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,是該方法預處理效果較優(yōu)的主要原因。經優(yōu)化實驗發(fā)現,在原料粒徑—40目、固含量9%、Ca(OH)2劑量1.75%(w/v)、預處理溫度160℃、預處理時間3 min、酶濃度150 FPU/g、酶解時間96h的優(yōu)化條件下,還原糖產量達到518.14 mg/g。為了進一步提高熱能的轉化效率、節(jié)省能源,改用高熱傳導效率的微波方法進行加熱,發(fā)現微波-Ca(OH)2預處理可以顯著提高楸木木屑的酶解效率。微波—水和微波—堿預處理均可以造成楸木木屑成分和結構的變化；微波—堿預處理可以提高原料的結晶度和酶解效率。微波—堿預處理去除了原料中的部分半纖維素,導致原料中纖維素—半纖維素—木質素網狀結構的破壞,使得纖維素更易被酶所水解,促進了原料酶解效率的提高。微波-Ca(OH)2的預處理效果優(yōu)于微波-NaOH。經優(yōu)化實驗發(fā)現,在原料粒徑—40目、Ca(OH)2劑量為2.75%(w/v)、微波功率400 W、預處理時間6 min、酶濃度175 FPU/g、酶解時間96h的優(yōu)化條件下,還原糖產量達到402.73 mg/g。對高壓均質預處理的草坪草和水熱-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2預處理后的楸木木木屑進行厭氧發(fā)酵產沼氣研究。高壓均質預處理的草坪草在厭氧發(fā)酵后產生418 m1的沼氣,約為未預處理樣品的2.5倍；水熱-Ca(OH)2和微波-Ca(OH)2預處理后的楸木木木屑分別產沼氣721和706 ml,大概是未預處理樣品的2倍。樣品在預處理后均能在更短的時間產生更多的沼氣；而且產氣過程沒有時滯。
【圖文】：

圖１－１木質纖維素的結構（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、半纖維素和木質素）含量變化的一個體現，而本研究中結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，說明不能僅憑結晶度的高低來判斷預逡逑處理效果的優(yōu)劣。從圖３－２可見，經過高壓均質預處理后，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，與還原糖產量的順序是相反的。這一現象說明平均逡逑粒徑可能是表示高壓均質預處理效果的一個重要指標。再輔ＷＳＥＭ的觀察，發(fā)現生逡逑物質原料無論是內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，高壓均質預處理方法對原逡逑料成分和結構都有強烈的影響，，是一種劇烈的預處理方法。逡逑表３－３對比了幾種草本生物質原料受到不同預處理后的還原糖產量，可Ｗ看出本逡逑研究中Ｗ草坪草為原料，Ｗ高壓均質為預處理方法得到的還原糖產量要高于其他原料逡逑和方法的結合。草類具有低木質素含量、低結晶度等特點
【學位授予單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S216.4;X72

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本文編號：2536342