稻秸甲烷乙醇联合发酵技术研究

摘要

由于秸秆沼气工程的沼渣中仍残留较高的纤维和有机物含量，对这部分残余有机碳进行回收利用，可大幅度提高原料利用率和能量转化效率。针对目前较为成熟的厌氧发酵技术和纤维乙醇技术，利用稻秸进行沼气和乙醇联产以解决厌氧发酵工程中大量沼渣难以利用问题，及纤维乙醇过程中的原料成本问题，在联产生物能源的同时，可实现生物质全效降解。
　　以酸碱浓度、温度和时间为主要考察因素，研究了酸碱预处理条件对稻秸的降解和糖化产率的影响。结果表明碱浓度和温度越高，半纤维素和木质素去除率越高，半纤维素和木质素的最高去除率分别为89.45％和88.92％;而酸预处理主要针对稻秸中的半纤维素，最高的半纤维素降解率为75.58％。从葡萄糖产率和有机物浓度来看，碱预处理的葡萄糖产率和有机物浓度明显高于酸预处理，最优的水解条件为2％浓度的NaOH，60℃和60h，在此条件下，葡萄糖产率为55.5％。另外，对于臭氧和氨水联合预处理，随着臭氧用量的增加，葡萄糖浓度先增加后降低，0.75g/g臭氧用量时葡萄糖浓度和还原糖浓度最高;与未处理组相比，氨水预处理4h的还原糖浓度提高了82.06％，而氨水预处理6h和8h的还原糖浓度无明显提高，故适宜的臭氧氨水联合预处理参数为臭氧用量0.75g/g和氨水预处理时间6h。
　　采用厌氧消化和乙醇发酵联合技术降解稻秸，提高生物能源产率，通过比较直接厌氧发酵、“乙醇甲烷”联产、乙醇甲烷连续发酵和“甲烷乙醇”联产四种工艺的沼气产量、甲烷产量和乙醇产量，并根据木质纤维素和单糖组成研究各工艺的木质纤维素降解过程，结果表明乙醇甲烷联合发酵模式具有一定优势，乙醇甲烷联产和连续发酵的能量输出比直接厌氧发酵分别提高17.12％和49.36％。基于对沼渣生产乙醇技术的探索，选择了甲烷乙醇联合发酵模式，研究酸碱和臭氧氨水预处理对沼渣酶解糖化效率的影响，优化甲烷乙醇联产工艺中的厌氧发酵条件和预处理参数。
　　采用酸碱预处理对甲烷乙醇联产工艺中厌氧消化条件及纤维乙醇转化的预处理参数进行了研究，结果表明中温低浓度的厌氧消化对稻秸纤维素结果破坏明显，而且预处理过程纤维素损失较低，葡萄糖得率较高，所以中温低浓度获得的厌氧消化纤维产乙醇效果较好;酸碱预处理条件的对比表明在温和温度条件下碱预处理对厌氧消化纤维产乙醇更具优势。适宜的碱预处理条件为60℃，3％浓度NaOH和6h，纤维素回收率高达80％以上，葡萄糖得率较高，为58.66％;中温低浓度的厌氧消化纤维的乙醇产量达87g/kg，有效地提高了厌氧消化纤维产乙醇的效率。
　　在甲烷乙醇联产工艺中，臭氧和氨水联合预处理可有效利用沼渣中有机碳，臭氧和氨水联合预处理对高温厌氧消化后的沼渣的水解糖化效率较高。甲烷乙醇联产工艺质量能量平衡分析表明采用55℃和17％发酵浓度厌氧发酵24天的沼渣进行生产乙醇，具有最高的净能量产出，为6416kJ，在此条件下每千克稻秸的甲烷产量和乙醇产量分别为142.8g和65.2g，证明了厌氧消化联合乙醇发酵生产甲烷和乙醇是一种有效的生物炼制过程，可实现有机碳的联合和连续利用。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 生物质预处理

1．2．1 物理预处理

1．2．2 化学预处理

1．2．3 物化结合预处理

1．2．4 生物预处理

1．3 生物质厌氧发酵技术

1．4 纤维乙醇技术

1．5 生物炼制联产技术

1．6 课题的提出

1．7 本文研究内容和技术路线

1．7．1 研究内容

1．7．2 技术路线

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 酸碱预处理

2．2．3 臭氧氨水联合预处理及酶解

2．2．4 分析方法

2．3 酸碱预处理实验结果与讨论

2．3．1 酸碱预处理对葡萄糖得率和COD浓度的影响

2．3．2 酸碱预处理对稻秸木质纤维素降解的影响

2．3．3 酸碱预处理对固体纤维表观结构变化的影响

2．4 臭氧氨水联合预处理实验结果与讨论

2．4．1 臭氧氨水联合预处理对稻秸失重率的影响

2．4．2 臭氧氨水联合预处理对稻秸酶解糖化效率的影响

2．4．3 臭氧氨水联合预处理对木质纤维素含量的影响

2．4 本章小结

第三章 稻秸“乙醇甲烷”和“甲烷乙醇”联产工艺比较研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 双发酵工艺实验过程条件

3．2．3 双发酵工艺对比实验设计

3．2．4 分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 联合发酵过程中沼气产量对比

3．3．2 联合发酵过程中质量能量平衡分析

3．3．3 联合发酵过程对稻秸结晶度的影响

3．3．4 联合发酵过程中稻秸红外官能团特征分析

3．3．5 联合发酵过程对稻秸表观结构特征的影响

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验设计

4．2．3 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 厌氧消化条件对厌氧消化纤维的乙醇产量的影响

4．3．2 酸碱预处理条件对乙醇产量的影响

4．3．3 厌氧消化纤维酸碱预处理前后的表观结构变化

4．3．4 厌氧消化纤维生产乙醇评价指标

4．4 本章小结

第五章 臭氧氨水联合预处理联产甲烷乙醇实验分析

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 臭氧氨水联合预处理对稻秸厌氧发酵潜力影响实验方法

5．2．3 臭氧氨水联合预处理稻秸联产甲烷乙醇实验方法

5．2．4 分析方法

5．3 臭氧氨水联合预处理对稻秸厌氧发酵产甲烷特性结果分析

5．3．1 臭氧氨水联合预处理对稻秸产气量的影响

5．3．2 臭氧氨水联合预处理对平均甲烷含量和甲烷产率的影响

5．3．3 臭氧氨水联合预处理对稻秸木质纤维素降解特性的影响

5．3．4 臭氧氨水联合预处理过程中稻秸结晶度的变化

5．4 臭氧氨水联合预处理联产甲烷乙醇结果与讨论

5．4．1 厌氧发酵阶段的沼气产量和甲烷产率分析

5．4．2 厌氧发酵后固体沼渣产量及其特性分析

5．4．3 臭氧和氨水联合预处理对沼渣酶解特性的影响

5．4．4 乙醇发酵阶段的乙醇产量分析

5．4．5 甲烷乙醇联产过程中质量和能量平衡分析

5．4．6 甲烷乙醇联产过程中稻秸结晶度变化分析

5．4．7 甲烷乙醇联产过程中稻秸表观结构特征分析

5．4．8 甲烷乙醇联产过程中红外官能团特征解析

5．5 本章小结

6．1 创新点

6．2 总结

6．3 建议与展望

参考文献

附录

攻读博士期间的科研成果

致谢