發(fā)布時間：2020-11-18 08:17

　　 木質纖維素生物質是生產生物質能源的一個豐富的可再生底物來源,它可以通過減少對化石能源的依賴和降低溫室氣體的排放來提高能源和環(huán)境的安全。木質纖維素生物質通過厭氧發(fā)酵(AD)產甲烷,因其操作簡單,運行可靠,且溫室氣體排放低而備受青睞。然而,阻止該技術商業(yè)化進程的一個重要因素是木質纖維素生物質的難降解性。盡管有許多預處理方法已經被研究和采用,但是對于非常具有前景的能源作物,比如,蘆竹,關于其預處理方法對比研究的報道仍舊很有限。另一個因素則是甲烷的低能量密度,以及儲存,運輸,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)甲醇則是一個可行的解決途徑。同時,厭氧發(fā)酵過程所產甲烷中硫化氫的存在會抑制甲烷氧化菌的活性,也需要對其開展深入研究。本課題中,開展了蘆竹高溫液態(tài)水(LHW)預處理,氫氧化鈉(NaOH)預處理耦合或不耦合堿液回用,以及氫氧化鈣(Ca(OH)_2)預處理關于提高纖維素酶降解能力和甲烷產量的對比研究。此外,通過降低額外費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)被用來進一步提高甲烷產量。為了解決沼氣向甲醇生物轉化過程中出現的硫化氫的抑制問題,一個甲烷氧化菌混合菌群,從暴露在4000 ppm硫化氫的厭氧發(fā)酵系統中被篩選獲得。且開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)基組成對該混合菌群生長和產甲醇的影響的研究。實驗結果總結如下:(1)相較于高溫液態(tài)水預處理,堿處理由于處理強度低而保留了更多的蘆竹干物質。在這兩種預處理方法最優(yōu)的條件下,高溫液態(tài)水預處理(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量相較于不處理的蘆竹的葡萄糖產量提高了2倍多,然而,相較于不處理的蘆竹的甲烷產量(217 L/kg VS),只有堿處理顯著地(p0.05)提高了甲烷的累積產量,提高量為63%。高溫液態(tài)水(LHW)預處理由于其高的能量投入使得凈電能產量為負值。堿處理相較于不處理的蘆竹(3,859kJ/kg初始總物質),其凈電能生產提高了27%,但是堿液需要通過再利用來提高整個過程的凈收益。(2)蘆竹的氫氧化鈉預處理耦合堿液回用和氫氧化鈣預處理就酶解消化和甲烷生產等方面進行了比較研究。在酶水解過程中,蘆竹的氫氧化鈉預處理耦合堿液回用提高了2.6倍的蘆竹葡萄糖產量,并在厭氧發(fā)酵過程中,提高了1.4-1.6倍的甲烷產量。然而,氫氧化鈉預處理的凈收益(增加的能源收益減去化學藥品費用)為負。7-20%氫氧化鈣預處理不僅分別提高了2.3倍和1.4倍的葡萄糖產量和甲烷產量,同時獲得了$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),用來評估低成本投入情況下提高甲烷產量的可行性。在玉米秸稈的固態(tài)厭氧發(fā)酵過程中,當F/I為6,氫氧化鈣的添加量為2-3.5%時,甲烷的產量由118 L/kg VS提高到了173-182 L/kg VS(46-54%的提高量)。然而,當F/I為8和10時,玉米秸稈的固態(tài)厭氧發(fā)酵過程并沒有因為氫氧化鈣添加(2-5%)而獲得成功。微生物群落分析表明3.5%的氫氧化鈣處理實際上提高了在生物質降解和甲烷生產過程中起重要作用的微生物的相對豐富度(門分類水平上的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)酵殘渣中分離得到,其中Cyanobacteria(占據整體菌種序列的32.04%)是該混菌中的優(yōu)勢菌種,其次分別是Proteobacteria(31.55%),Bacteroidetes(29.94%),Chlorobi(5.87%)�；旌暇�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,并且基于甲烷的細胞有機質的產量在不同的硫化氫濃度(0 ppm,1000 ppm,2000 ppm,和4000 ppm)下沒有顯著差異(p0.05)。基于甲烷的細胞有機質生產的最優(yōu)條件為甲烷空氣比1:4,pH 6.8,和溫度37℃,此時0.333 g細胞干重/g甲烷的細胞有機質被獲得。(5)甲醇生產的單因素實驗結果表明:最佳的產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,此時甲醇濃度為0.28 mg/mL,甲醇產量為0.22 mol/mol甲烷。正交實驗結果顯示,甲烷氧化菌群的最優(yōu)產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,且甲酸鈉對甲烷氧化菌群的甲烷產量的影響最大。甲烷氧化菌群在不同硫化氫濃度(0 ppm,1000 ppm,2000 ppm,和4000 ppm)下甲烷轉化效率沒有顯著的差異,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換且不需要去除硫化氫。
【學位單位】：河南農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：S216
【部分圖文】：

(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 [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 [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造成這些不可再生能源的短缺，同時也會對環(huán)境造成不良影響，其中溫

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

圖 1.3. 來自生物質的能量，引自文獻 [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，全世界的初級能源消耗體量中生物質能占據了 1。Matsumura 等 [15] 評估了在日本農作物秸稈 (稻草) 作

本文編號：2888515