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淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究

谢斌飞

  能源与环境是整个人类共同面对的问题。氢能作为清洁、密度高的可再生能源载体受到越来越多的关注。本文首先以葡萄糖为模型,验证了生物法发酵联产氢气和甲烷的可行性。使用两步联产工艺(即第一步用产氢菌降解生物质发酵制取氢气,第二步用产甲烷菌降解制氢过程产生的液相发酵制取甲烷)将能源转化率从单纯制氢的20%左右提高到联产的80%左右。在pH为6左右,底物浓度为1%,接种/底物比例为2时,获得最高的联产量342.2 ml-H2/g葡萄糖和265.1 ml-CH4/g葡萄糖。研制出了高效培养产氢菌和产甲烷菌的方法,使用Cl-代替SO42-改良传统的产氢菌培养基培养和驯化富集产氢菌,增加了产氢菌的产氢能力,并极大地减少了发酵过程中有害气体H2S的产生。其次,研究验证了淀粉发酵联产氢气和甲烷可行性,其中第一阶段产氢阶段使用改良产氢菌培养基可基本消除传统产氢的启动滞留期12小时左右。通过α淀粉酶和糖化酶处理能提高马铃薯发酵的产氢效果,最大联产量为271.2 ml-H2/g-TVS和157.9 ml-CH4/g-TVS,联产的能源转化率高达59.6%。在此基础上进行了连续流的实验研究。 水葫芦是中国南方水域的“十大恶草之一”,研究水葫芦发酵联产氢气和甲烷具有重要意义。本文首先进行了水葫芦发酵联产氢气和甲烷的理论研究。实验研究过程以水葫芦的预处理过程对发酵联产氢气和甲烷的影响为主要研究内容,对比了碱法、酸法、瘤胃菌、超声波等方法,发现碱/酶法效果较好,其中碱浓度为0到5%时,3%的碱浓度最利于发酵制氢过程。水葫芦的叶和茎部分经过碱加酶预处理后可以用作发酵制取氢气和甲烷的原料。而根部产氢效果相对较差,并且富集重金属,不易作为发酵联产的原料。其中叶的联产效果最好,为每克水葫芦叶(TVS)产生51.7 ml H2和143.4 ml CH4,其能源转化率为33.2%。在此基础上,研究了碱/微波/酶预处理方法的效果,发现碱液浸泡24小时,然后在190℃微波消解10分钟,最后用0.05 g酶/g干物质酶解最佳。通过综合预处理方法碱/微波/酶方案对水葫芦糖化后,水葫芦最佳联产效果为每克挥发性固体产生63.9 ml H2和172.5 ml CH4,实际能源转化率为40.0%。通过综合预处理方法碱/微波/酶(增大酶使用量至0.25 g)对水葫芦糖化后,水葫芦直接产甲烷,可以产生237.4ml-CH4/g-TVS,实际能源转化率为49.5%。最后,进行以水葫芦为底物的50升规模的中间实验研究,为工业化应用奠定基础。……   
[关键词]:生物制氢;淀粉;纤维素;培养基;预处理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2009年