稻草瘤胃液预处理−甲烷和乙醇一体化转化研究

摘要

化石燃料的大量使用导致了能源危机和环境污染等一系列问题，利用可再生的木质纤维素原料生产生物能源是解决这些问题最有潜力的技术，近年来受到研究者们广泛关注。我国是世界上最大的水稻生产国，每年可产生大量的稻草，然而大部分稻草被随意丢弃、焚烧，造成严重的空气污染，与环境保护与生态可持续发展背道而驰。稻草含有丰富的纤维素，通过厌氧发酵可转化为甲烷和乙醇，在一定程度上缓解了诸多能源和环境问题。然而直接利用稻草不利于高效生物能源生产，因此探寻一种绿色可持续的废物-能源转化方案是必要的。
　　本研究以产量丰富的稻草生物质为原料，探索并系统研究瘤胃液预处理稻草促进甲烷产量的可行性，同时深入分析瘤胃液降解稻草过程中细菌群落结构变化及剩余残渣的特性。考虑到剩余残渣仍有较多未被利用的碳水化合物，经过进一步预处理后进行产乙醇发酵，构建了稻草瘤胃液预处理促进甲烷与乙醇一体化转化系统。
　　采用瘤胃液预处理促进稻草产甲烷效率，在39 oC厌氧条件下瘤胃液降解稻草在前72 h内基本完成，主要的代谢产物为乙酸和丙酸。将预处理后的混合产物作为原料进行甲烷发酵，最佳的瘤胃液预处理时间为24 h。瘤胃液预处理24 h条件下，生物气和甲烷产量较对照分别提高66.5%和82.6%，消化时间（T80）缩短40%。厌氧消化结束后，经瘤胃液预处理的稻草总固体（TS）和挥发性固体（VS）降解效率较对照分别提升16.4～33.3%和14.8～31.7%。甲烷产量和有机质降解效率的提高主要归功于瘤胃微生物对稻草的有效水解。修正Gompertz模型对累积甲烷产量的拟合效果优于一阶动力学模型，表明瘤胃液预处理可提高甲烷产量、缩短反应停滞期、提升水解速率，是一种有效生物预处理方法。同时，瘤胃液的资源化利用可以减少屠宰场废物的排放。
　　稻草浓度对瘤胃液预处理及后续产甲烷效率的影响结果表明，预处理过程中低底物浓度（1.0～2.5%）比高底物浓度（5.0～10.0%）表现出更高的总固体、纤维素和半纤维素降解率，这与低底物浓度导致产生高挥发性脂肪酸和CO2产量一致。高底物浓度产生的高比例丙酸和低底物浓度导致的高碳损失都不利于后续的甲烷发酵。经40 d甲烷发酵后，最佳瘤胃液预处理的时间介于12～24 h之间。在最佳瘤胃液预处理时间条件下，甲烷产量较对照都有提高。2.5%底物浓度下的甲烷产量最高，为265.3 mL/gVS，较对照提高88.9%，而10%底物浓度下甲烷产量最低（192.3 mL/gVS），较对照仅提高14.3%。当底物物浓度为1.0～5.0%时，瘤胃液预处理还可提高产甲烷速率。
　　利用Illumina Miseq高通量测序考察预处理时间和底物浓度对瘤胃液预处理过程中瘤胃细菌群落结构的影响，结果表明，瘤胃细菌的多样性随预处理时间延长和底物浓度增加而降低，且底物浓度的影响更大。微生物群落差异主要出现在72 h后以及底物浓大于5.0%；当预处理时间大于72 h，BS11科和Ruminococcaceae（瘤胃菌科）的比例减少；而当底物浓度高于5.0%时，Prevotellaceae（普雷沃氏菌科）、Unclassified Bacteroidales科、Ruminococcaceae（瘤胃菌科）、Clostridiaceae（梭菌科）和Fibrobacteraceae（纤维杆菌科）的比例均明显降低。其中瘤胃菌科的 Ruminococcus（瘤胃球菌属）和 Ruminiclostridium（瘤胃梭菌属），梭菌科的Clostridium（梭菌属）以及纤维杆菌科的 Fibrobacter（纤维杆菌属）微生物均具备纤维素或半纤维素降解能力。瘤胃液预处理后稻草残渣的特性分析表明，瘤胃液预处理降低了2.5%-残渣（2.5%底物浓度）的纤维素和半纤维含量，提升了10.0%-残渣（10.0%底物浓度）的纤维素含量，2种稻草残渣中仍含有一定量的纤维素。
　　瘤胃液预处理稻草残渣可作为乙醇生产的潜在生物质原料，但由于其结构顽固，直接利用造成纤维素转化率低，因此比较了微波-NaOH、超声-NaOH和球磨预处理对2种稻草残渣（2.5%-残渣和10.0%-残渣）的化学组分、物理结构、酶解效率和乙醇产量的影响。结果表明3种预处理方法都能有效破坏稻草残渣的结构。微波-NaOH和超声-NaOH通过去除原料中木质素和半纤维素，导致原料中纤维素-半纤维-木质素网状结构破坏，促进酶解效率；而球磨主要通过减小颗粒直径以及降低结晶度促进酶解效率。经酶解和乙醇发酵后，发现球磨预处理效果优于微波-NaOH和超声-NaOH预处理，在球磨预处理条件下，10.0%-残渣的乙醇产量为147.42 mg/g残渣，高于2.5%-残渣的116.65 mg/g残渣。
　　分别对球磨预处理和同步糖化发酵过程参数进行优化，结果表明，最佳的球磨速度、球料比和球磨时间分别为700 r/min、20:1和4 h。在最佳预处理条件下，2.5%-残渣和10%-残渣的纤维结晶结构被完全破坏，导致两者具有几乎相同的葡萄糖转化率。同步糖化发酵过程的最佳条件为纤维素酶投加量5 FPU/g、酵母接种量15%、pH5.0、温度37 oC和固含量3%。在最优条件下，2.5%-残渣和10.0%-残渣的最高乙醇产量分别达到148.6和174.1 g/kg残渣。
　　基于以上结论，提出瘤胃液发酵和乙醇发酵一体化生产系统，该系统可以同时生产甲烷和乙醇。10.0%底物浓度系统的乙醇产量132 g/kg稻草，高于2.5%固含量系统的88 g/kg稻草，而2.5%底物浓度系统的总能量产出为7514 kJ/kg稻草，高于10.0%底物浓度系统的5996 kJ/kg稻草。该一体化生产系统具有能量产出高、反应时间短、无污染物排放等特点，是一种有前途的废物-生物能转化方法。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 生物质能源生产的意义

1.2 稻草利用现状

1.3 木质纤维素类原料预处理技术

1.4 瘤胃液在木质纤维素原料处理中应用

1.5 生物燃料一体化转化技术

1.6 论文主要研究内容

第2章 瘤胃液预处理促进稻草厌氧消化产甲烷可行性研究

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第3章 底物浓度对稻草瘤胃液预处理及后续甲烷发酵效率的影响

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 稻草瘤胃液预处理系统细菌群落结构变化及其发酵残渣特性分析

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第5章 预处理方法对稻草瘤胃液预处理残渣产乙醇发酵的影响

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第6章 球磨预处理促进稻草残渣同步糖化产乙醇条件优化

6.1 引言

6.2 实验材料与方法

6.3 结果与讨论

6.4 小结

结论与展望

1. 结论

2. 创新点

3. 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文目录

附录B 攻读学位期间申请专利

附录C 攻读学位期间参与的研究课题