生物纖維原料汽爆預(yù)處理技術(shù)與應(yīng)用研究

1、河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 2008年加入收藏 獲取最新生物纖維原料汽爆預(yù)處理技術(shù)與應(yīng)用研究王許濤【摘要】： 生物質(zhì)能具有資源豐富、可再生的優(yōu)點, 可用來轉(zhuǎn)化固、液、氣三種清潔燃料。二十世紀(jì)九十年代初, 國內(nèi)外的學(xué)者以提高轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo), 開始對生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化機理和影響轉(zhuǎn)化因素進行研究。結(jié)果表明, 如何消除或降低木質(zhì)素對纖維素降解酶的阻礙作用是研究的難點和提高轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵。 生物質(zhì)秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者結(jié)構(gòu)很復(fù)雜, 要提高半纖維素和纖維素的轉(zhuǎn)化率, 就必須對生物質(zhì)秸稈進行預(yù)處理, 破壞其物理結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)三者的有效分離。預(yù)處理的目的是分離、除去生物質(zhì)秸稈中的木質(zhì)素, 增加生物質(zhì)秸稈的孔隙率和酶對纖

2、維素的可及性, 從而提高生物質(zhì)秸稈中半纖維素和纖維素的轉(zhuǎn)化率。生物質(zhì)秸稈的預(yù)處理方法可以分為物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、物理化學(xué)預(yù)處理和生物預(yù)處理四大類。學(xué)者們對秸稈預(yù)處理已進行了許多研究, 雖取得了一定的成果, 但還沒有找到能夠應(yīng)用于生產(chǎn)、低成本、高效率的方法, 因此, 找到提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用率的預(yù)處理技術(shù)至今仍然是生物質(zhì)高品位利用的技術(shù)關(guān)鍵, 也是學(xué)者及企業(yè)家們苦苦追求的目標(biāo)。 蒸汽爆破技術(shù)是物理化學(xué)預(yù)處理方法中的一種, 最初被應(yīng)用于紙漿生產(chǎn)。到目前為止, 還沒有通過爆破顯著提高纖維素轉(zhuǎn)化率的報道。近幾年來研究生物質(zhì)爆破技術(shù)的逐漸多起來了, 但認(rèn)真分析其工藝參數(shù)和結(jié)果, 其實際上為“汽噴”和“

3、膨化”,因為真正的生物質(zhì)爆破中生物質(zhì)溢出時間一定要小于1秒, 在這樣的速度下才會出現(xiàn)“爆”。目前的報道, 解壓后生物質(zhì)均在幾十秒到幾分鐘時間內(nèi)才能被完全放出來, 這就不屬于真正意義上的蒸汽爆破范疇了, 用于秸稈預(yù)處理也無法取得好的效果。 本研究采用新的蒸汽爆破技術(shù)設(shè)備對秸稈進行了爆破預(yù)處理研究, 這種爆破設(shè)備采用蒸汽彈射技術(shù), 可以在0.00875s 時間內(nèi)完成能量的高密度突然釋放, 將秸稈推出高壓缸并完成秸稈的爆碎。經(jīng)對爆破秸稈的沼氣發(fā)酵和纖維糖化等試驗, 所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出了明顯的預(yù)處理效果。 本文較全面地反映了作者的研究工作, 主要包括以下內(nèi)容: 爆破預(yù)處理影響因素和爆破參數(shù)優(yōu)化研

4、究。通過研究汽爆后秸稈結(jié)構(gòu)(半纖維素、纖維素和木質(zhì)素組分含量 和還原糖得率兩個指標(biāo)來衡量蒸汽爆破預(yù)處理中各因素對汽爆效果的影響。在不同的壓力、時間、含水率、物料填充密實度等參數(shù)組合條件下對生物質(zhì)秸稈進行爆破試驗, 對爆破生物質(zhì)進行物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)分析, 找出了經(jīng)過優(yōu)化的爆破預(yù)處理秸稈參數(shù)。作者首次嘗試了秸稈的二次汽爆試驗研究, 結(jié)果表明, 相對于一次汽爆來說, 二次汽爆的預(yù)處理能力顯著提高。 為了驗證爆破效果和使用價值, 用玉米秸稈爆破物分別在常溫和中溫下進行了沼氣發(fā)酵試驗。試驗采用濕式發(fā)酵方法(總固形物濃度為5%。結(jié)果表明, 每克干物質(zhì)產(chǎn)氣量和沼氣中甲烷百分比含量兩個參數(shù)都較對比試驗有一定提

5、高。試驗中也對汽爆后秸稈發(fā)酵醪液的pH 值和COD 值變化進行了觀測, 發(fā)現(xiàn)COD 的去除率較高。經(jīng)汽爆后玉米秸稈發(fā)酵啟動和結(jié)束時間都較未經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理的秸稈要早。 用蒸汽爆破后玉米秸稈進行了糖化試驗。試驗結(jié)果表明, 糖化率較對比試驗有較大程度提高。為了進一步提高汽爆的效果, 進行了添加化學(xué)試劑HCl 、NaOH 、Na2SO4、氨水的玉米秸稈的汽爆試驗。結(jié)果表明, 添加HCl 效果最好, 但添加這些化學(xué)試劑對提高汽爆玉米秸稈糖化率作用不大。用汽爆后的玉米秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇試驗中, 在3.0Mpa 壓力下, 燃料乙醇的產(chǎn)率隨保壓時間增加呈下降的趨勢, 而在低壓條件下, 情況則相反。 對秸稈

6、爆破物的顯微組織進行了分析。SEM 和TG 分析表明汽爆后的玉米秸稈的結(jié)構(gòu)破壞程度隨汽爆壓力和保留時間的增加而增加, 雖然在高壓和短的保留時間的預(yù)處理條件下酶解糖化效果較好, 但汽爆后的玉米秸稈的結(jié)晶度相對于未經(jīng)汽爆處理的秸稈結(jié)晶度有所增加。 設(shè)備改進。通過一系列的試驗, 驗證了蒸汽爆破技術(shù)設(shè)備預(yù)處理的效果, 同時也發(fā)現(xiàn)了設(shè)備存在的諸如密封、爆出時間、所需的蒸汽壓力等方面的問題, 針對發(fā)現(xiàn)問題對蒸汽爆破試驗臺進行了相應(yīng)設(shè)計的改進, 進一步完善了試驗臺的性能, 為將來的工業(yè)化設(shè)備設(shè)計制造提供了依據(jù)。【關(guān)鍵詞】：秸稈 纖維素 降解 蒸汽爆破 發(fā)酵 燃料乙醇 沼氣【學(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2008【分類號】：S216【目錄】： 致謝4-9 摘要9-11 第一章 緒論11-25 1 研究背景11-13 1.1