高浓度微藻浆液中低温水热水解的过程与机理研究

摘要

随着经济的发展，国家对能源的需求持续增加，能源耗竭及化石燃料导致的环境污染严重影响国家的发展。能源短缺与环境污染问题已成为影响国家乃至世界经济和发展的首要问题，亟待开发以生物质能为代表的可再生能源技术。作为第三代生物燃料，微藻生物质能源相对第一代（以粮食发酵制备乙醇），第二代（农村与城市废弃的纤维物质）更具有优势，正获得更广泛的关注。微藻生物质的微生物发酵转化为气体燃料（H2、CH4等），具有发酵条件温和、产气纯度高、工艺简单、成本低，不污染环境，且能最大限度的利用微藻生物质（包括碳水化合物、蛋白质、油脂三大主要物质）的优点，成为最具有前景的微藻生物质利用方法。由于微藻的复杂细胞结构，及其细胞壁的限制，微藻直接发酵的发酵效果并不理想，因此微藻发酵前必须采用高效预处理方法快速打破生物质的多层立体结构细胞壁纤维组织才能实现后续发酵的高效能源化利用。目前，水热水解预处理法由于其处理效果较好，能耗低，且无污染的优点，受到越来越多学者的青睐。但是，目前微藻水热水解预处理过程中的机理研究还存在很多不完善的地方，不利于微藻水热水解预处理结合细菌发酵转化成气体生物燃料的工业化应用。本文以蛋白核小球藻（CP）为研究对象，从中低温水热过程中微藻细胞形态变化，单因素、多因素协同对微藻水热物质析出及水解影响，微藻中低温水热的物质析出及水解的动力学及热力学分析等角度对微藻的水热预处理过程中物质析出及物质反应机理进行系统研究，最后对微藻中低温水热水解产生与发酵环境相匹配的产物进行定向调控。
　　本研究主要内容包括：⑴通过扫描电镜及透射电镜对微藻细胞的微观结构分析，发现水热水解的反应温度与停留时间对微藻细胞结构有显著的影响。反应温度上升，停留时间增加，微藻细胞破坏越剧烈，粒径减小，内部细胞器溶解析出越多，细胞内空白区域增大。进一步以析出的碳水化合物、蛋白质、水解得还原糖产率，水解得到还原糖得率为指标对反应过程进行表征，利用单因素变量法研究反应温度、停留时间、藻浆浓度、初始压力对微藻水热水解预处理的影响。结果表明，总碳水化合物、蛋白质析出产量、水解得还原糖产率都随着温度上升先增加后减小。⑵采用适用于固液两相物质提取的two-site模型对微藻内部碳水化合物、蛋白质析出释放动力学进行研究，然后再通过二阶反应模型及等温下Van’t Hoff公式对微藻内部碳水化合物、蛋白质析出过程进行热力学研究。基于微藻细胞结构，利用two-site析出动力学对微藻内部的碳水化合物与蛋白质的析出全过程与停留反应过程分别进行动力学分析；不考虑具体的化学反应，将微藻内碳水化合物与蛋白质析出过程简化，看作是固体与水成为溶液的溶解反应，利用二阶反应模型对碳水化合物与蛋白质的溶解反应进行分析；在此基础之上，对微藻内碳水化合物与蛋白质析出过程进行热分析。微藻碳水化合物与蛋白质析出过程的实验数据与应用模型的拟合很好。微藻水热水解过程碳水化合物与蛋白质析出过程的关键影响因素并不只是分子间作用力和氢键，主要因素还包括是大分子碳水化合物与蛋白水解为小分子糖与蛋白质所需的能量。⑶通过Guassion软件，运用密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）对微藻水热水解过程中淀粉、蛋白质水解、葡萄糖与氨基酸相互反应的反应动力学及热力学进行了模拟分析。分析不同温度下淀粉、蛋白质水解、葡萄糖与氨基酸相互反应的活化能、焓值、自由能变化。温度对于碳水化合物、蛋白质水解、葡萄糖与氨基酸脱水缩合反应均有明显的影响。⑷利用响应曲面法研究反应温度、停留时间、初始压力对蛋白核小球藻水热水解预处理中藻细胞碳水化合物和蛋白质析出过程的协同作用及影响，研究发现，反应温度、初始压力、反应停留时间三者的交互作用对微藻水热水解物质析出影响很关键。对于碳水化合物析出，反应温度与反应时间之间交互作用对碳水化合物析出的影响非常显著，其次是温度与初始压力之间的交互作用。对于蛋白质析出，反应温度与反应时间之间交互作用的影响更显著。对于反应后水溶液中的化学需氧量COD，反应温度与初始压力之间交互作用对COD析出的影响更显著。在此基础上，采用低含量酸/碱定向调控微藻水热中以还原糖为主要指标的与发酵环境相匹配的产物产生。低含量酸/碱辅助对于水热条件下，微藻内部物质水解产生的还原糖的过程均有很明显的提升作用。但是添加碱催化剂也大幅度提升水热条件下微藻物质水解过程中的副反应强度，反应后溶液的色度相对未添加催化剂的色度提高在30倍以上，不利于后期发酵。相对于碱辅助，低含量酸辅助对于还原糖水解得率提升效果相近，而对于副反应没有明显的提升。而且低含量甲酸辅助，能使得副反应强度相对硫酸辅助进一步减小，甲酸后期还能够被细菌有效发酵利用，无需回收，低含量甲酸辅助定向调控微藻水热中产生以还原糖为主要指标与发酵环境相匹配的产物，效果很好。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 微藻能源发展现状

1.3 微藻生物质预处理的国内外研究现状

1.4 中低温水热微藻水解机理

1.5 水热法预处理微藻生物质水解研究的不足

1.6 本文主要内容及目的

2 中低温水热条件对微藻物质析出行为的影响

2.1 引言

2.2 微藻水热水解试验系统与实验设备及测试方法

2.3 中低温水热条件下微藻水解过程中细胞形态变化

2.4 中低温水热条件对微藻物质释放和水解影响研究

2.5 小结

3 微藻中低温水热物质析出过程的动力学研究

3.1 引言

3.2 模型与方法

3.3 微藻水热中碳水化合物析出过程的动力学研究

3.4 微藻水热中蛋白质析出过程的动力学研究

3.5 小结

4 微藻中低温水热中物质水解反应理论分析

4.1 引言

4.2 微藻水热水解过程中主反应分析

4.3 微藻水热水解过程中副反应（美拉德反应）分析

4.4 理论分析与实验对比

4.5 小结

5 微藻中低温水热水解的定向调控

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 微藻水热水解物质析出过程优化

5.4 微藻中低温水热水解产生与发酵环境相匹配的产物的定向调控

5.5 小结

6 结 论

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

7 后续研究工作及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士期间获得的荣誉奖励

C. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目