以秸秆和城市生活垃圾为原料制备燃料乙醇的研究

【摘要】：能源是经济社会发展的动力。当今世界,能源短缺,给经济发展造成了很多制约因素。燃料乙醇被称为不会增加碳排放的清洁能源,取之不尽、用之不竭的可再生能源,已成为发达国家竞相开发的战略制高点。开发燃料乙醇有两大难点：(1)原料的预处理和糖化问题；(2)六碳糖与五碳糖共发酵问题。本工作围绕这两大问题展开研究,找到和建立了一些解决问题的新方法和新思路。针对粮食乙醇原料紧俏,研究了以农林纤维素废料和城市垃圾为原料制取燃料乙醇的可行性,结果发现,秸秆和城市生活垃圾中的厨余垃圾和废纸均可作为生产燃料乙醇的原料。现代城市垃圾的分类收集方式大大降低了垃圾分拣成本。厨余垃圾含有大约50%的淀粉类物质,用糖化酶糖化、发酵即可制得燃料乙醇,其工艺与粮食乙醇相当。废纸中含有的纤维素和半纤维素大约接近80%,其水解、糖化、发酵工艺与农林纤维素相当。为解决原料的预处理和糖化问题,在研究现有的酸法预处理的基础上,提出了超浓酸法、微波联合酸法、水性离子液体法等新的预处理糖化方法及其机制,探讨了具体的工艺。结果表明,以超浓盐酸为溶剂在常温下预处理秸秆,其还原糖收率为28.7%,秸秆消解率接近100%。微波联合酸法预处理废纸的还原糖得率比常规加热方式得糖率提高20%,是去离子水浸泡微波辐射(40min还原糖得率仅为0.15%)下得糖率的88倍；微波联合酸法预处理厨余垃圾的还原糖得率比未经预处理的厨余垃圾酶水解糖产量提高46.1%,说明微波辐射联合酸法预处理生活垃圾的方式能有效促进水解糖化过程,提高还原糖得率。提出了水性离子液体对木质纤维素进行水解的新方法。实验结果表明：以浓度为25%的水性离子液体溶液为溶剂预处理秸秆的还原糖得率达93.69%,优于稀酸溶液预处理秸秆的还原糖得率26.97%；进一步的研究表明,对于秸秆,稀酸水解的活化能为157KJ/mol,超浓盐酸水解活化能为116KJ/mol,离子液体水解活化能为107KJ/mol,水性离子液体水解活化能为43KJ/mol,说明水性离子液体为溶剂更有利于秸秆水解反应的进行,且离子液体可以多次重复利用而秸秆水解糖化效果维持稳定,具有很好的经济性；同时采用水性离子液体预处理秸秆,离子液体用量降低,而且在离子液体循环利用过程中不需要将离子液体完全除去水分,从而节省操作流程和能源,降低了成本。为解决五碳糖对六碳糖发酵的抑制问题,提出了嗜单宁管囊酵母和酿酒酵母固定化发酵工艺,用其对废弃秸秆和生活垃圾的酶水解液进行静态发酵,结果表明,固定化菌种对水解液的发酵效果明显好于游离菌种的发酵效果,比游离菌种情况下乙醇产量提高38.1%。同时设计了非等温动态发酵的新的发酵方案。根据微生物生长温度和产物合成温度不一致的情况,在发酵过程中通过变化温度来确保菌种的稳定生长并最大限度的提高乙醇产量,很好的改善了发酵效果,乙醇浓度达到7.1%,与静态恒温发酵相比乙醇产率提高了18.3%。最后创新性地以沸石作为吸附介质对葡萄糖和离子液体混合体系进行分离,试验结果表明,沸石对葡萄糖有一定的吸附,对离子液体几乎无吸附,同时葡萄糖从沸石上解吸附百分比最高达到99.83%,从而验证葡萄糖和离子液体在沸石介质上可以实现有效分离,分离率最高达到68.25%。 【关键词】：燃料乙醇 木质纤维素 秸秆 城市垃圾 厨余垃圾 废纸 超浓酸 离子液体 糖化 发酵
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 第一章 绪论17-37
• 1.1 引言17
• 1.2 纤维素乙醇概述17-19
• 1.2.1 纤维素乙醇简介17-18
• 1.2.2 纤维素乙醇的研究现状18-19
• 1.3 木质纤维素生物质概况19-23
• 1.3.1 农业废弃物20-21
• 1.3.2 城市生活垃圾21-23
• 1.4 木质纤维素制备燃料乙醇的预处理方法23-30
• 1.4.1 木质纤维素预处理的意义24-25
• 1.4.2 木质纤维素预处理方法25-30
• 1.5 木质纤维素制备燃料乙醇的发酵工艺30-34
• 1.5.1 异步糖化发酵法(SHF)31-32
• 1.5.2 同步糖化发酵法(SSF)32
• 1.5.3 五碳糖和六碳糖共发酵32-33
• 1.5.4 固定化细胞发酵法33-34
• 1.5.5 非等温动态发酵法34
• 1.6 本课题的研究内容和目的、意义34-37
• 第二章 秸秆制备燃料乙醇的预处理工艺研究37-77
• 2.1 引言37-38
• 2.2 实验38-45
• 2.2.1 实验药品、仪器和原料38-39
• 2.2.2 实验方法39-43
• 2.2.3 分析方法43-45
• 2.3 秸秆的稀酸预处理工艺45-51
• 2.3.1 溶剂种类的影响45-46
• 2.3.2 酸浓度的影响46-47
• 2.3.3 秸秆与酸溶液固液比的影响47-49
• 2.3.4 微波功率与时间的影响49
• 2.3.5 温度的影响49-51
• 2.4 秸秆的浓酸预处理工艺51-56
• 2.4.1 温度的影响51-52
• 2.4.2 浓度的影响52-53
• 2.4.3 压力对浓盐酸预处理秸秆的影响53-54
• 2.4.4 不同固液比的影响54
• 2.4.5 超浓盐酸预处理木质纤维素结果54-56
• 2.5 秸秆的水性离子液体预处理工艺56-67
• 2.5.1 [Bmim]Cl离子液体的红外表征结果56-58
• 2.5.2 酶解条件的确定58-62
• 2.5.3 离子液体预处理秸秆再生纤维素的酶解62-67
• 2.6 秸秆水解过程动力学分析67-76
• 2.6.1 秸秆稀酸水解动力学模型68-70
• 2.6.2 秸秆浓酸水解动力学模型70-73
• 2.6.3 秸秆离子液体水解动力学模型73-76
• 2.7 本章小结76-77
• 第三章 城市生活垃圾制备燃料乙醇的预处理工艺研究77-101
• 3.1 引言77-78
• 3.2 实验部分78-81
• 3.2.1 药品、仪器和原料78-79
• 3.2.2 实验方法79-80
• 3.2.3 分析方法80-81
• 3.3 结果与讨论81-100
• 3.3.1 预处理对废纸酶水解糖化的影响81-91
• 3.3.2 预处理对厨余垃圾酶水解的影响91-100
• 3.4 本章小结100-101
• 第四章 固定化发酵工艺研究101-117
• 4.1 引言101-102
• 4.2 实验102-108
• 4.2.1 实验药品、仪器和原料102-103
• 4.2.2 实验原料103
• 4.2.3 实验方法103-106
• 4.2.4 分析方法106-108
• 4.3 结果与讨论108-115
• 4.3.1 固定化方式的比较108-109
• 4.3.2 固定化菌种的静态发酵工艺109-114
• 4.3.3 固定化菌种动态发酵工艺114-115
• 4.4 本章小结115-117
• 第五章 离子液体与糖的分离117-133
• 5.1 引言117
• 5.2 实验部分117-121
• 5.2.1 药品、仪器和原料117-119
• 5.2.2 实验方法119-121
• 5.3 结果与讨论121-131
• 5.3.1 沸石对葡萄糖的吸附121-126
• 5.3.2 沸石对离子液体的吸附126-127
• 5.3.3 离子液体和葡萄糖在沸石上的分离127-129
• 5.3.4 葡萄糖从沸石上的解吸附129-131
• 5.4 本章小结131-133
• 第六章 结论133-135
• 参考文献135-149
• 致谢149-150
• 研究成果及发表的学术论文150-151
• 作者和导师简介151-152
• 学位论文答辩委员会决议书152-153

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