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不同降解模式担子菌影响木质纤维素热解特性机制研究

曾叶霖  
【摘要】:能源危机与环境污染日益严重,生物质能成为可再生能源重要的发展方向之一,生物质可以通过多种技术途径转化为不同形式的生物质能燃料,有可能在将来替代化石燃料。热解是一种有潜力的生物质能热化学转化方式,但受限于生物质木质纤维素结构及组分影响。在生物质热解前进行生物预处理可以有效的改变其组成及结构,进而改善热解性能,但尚不明晰木质纤维素不同降解模式是否对热解反应存在不同的影响机制。因此本文选用不同降解模式的两个担子菌菌株,研究了担子菌不同降解模式对生物质及其组分热解特性的影响规律,并进一步明晰了白腐菌Irpex lacteus CD2促进木质素热解、褐腐菌Fomitopsis sp. IMER2促进纤维素热解的机制。 通过木质纤维素组分分析、红外吸收光谱分析、结晶度分析、孔隙度分析和稀碱溶出物组成分析,从生物质组分及分子结构变化角度研究了白腐菌I. lacteus CD2和褐腐菌Fomitopsis sp. IMER2对玉米秸秆不同的降解模式。白腐菌I. lacteus CD2主要降低了生物质中木质素的含量,并对其结构有一定的破坏作用,随着培养时间的延长,生物质稀碱溶出物中表观木质素含量降低而酸溶性木质素含量升高。褐腐菌Fomitopsis sp. MER2通过分泌草酸使生物质细胞壁孔隙增大,利于胞外分泌的纤维素酶对无定形纤维素的降解,使生物质的结晶度显著升高。 玉米秸秆经不同降解模式担子菌预处理后,热解动力学特性显著改善,热解失重率及反应速率增大。同时,担子菌预处理也分别促进了纤维素与木质素组分的热解反应,热解动力学特性的改善程度因菌株不同的降解模式而异。褐腐菌Fomitopsis sp. IMER2预处理后,ADF组分的热解失重增大,热解产物中生物油含量从32.7%显著增加至50.8%,表明其在促进秸秆纤维素组分热解反应方面优势明显。白腐菌I. lacteus CD2预处理后,促进玉米秸秆木质素组分热解反应的效果更加显著,玉米秸秆ADL组分的热解失重率显著增大至58%,热解液体产物得率也从16.8%增加到26.8%。不同降解模式担子菌预处理后,玉米秸秆木质纤维素组分热解液体产物的转化差异显著。褐腐菌Fomitopsis sp. IMER2预处理后的ADF组分,热解液体产物中羧酸、呋喃和酮类的等纤维素热解转化产物的含量显著提高,白腐菌I.lacteus CD2预处理后的ADL组分,热解液体产物中苯酚类物质的含量超过了液体产物总量的50%,理论上为通过生物预处理实现生物质热解液体的定向转化提供了可能。 通过分离纯化玉米秸秆EMAL木素,研究其结构变化与热解特性变化的关系,明晰了不同降解模式担子菌改善木质素热解特性的机制。白腐菌I. lacteus CD2对木质素的改性作用显著,通过破坏β-O-4连键、β-5’和5-5’碳键等苯环间的连键使木质素聚合度降低,对苯环的骨架结构也有明显的破坏作用,使愈创木基、紫丁香基、对羟苯基等木质素苯环结构组成单元的含量下降。这些结构的改变提高了木质素在后续热解反应中的活性,反应速度加快,降低了反应活化能。 通过分离纯化玉米秸秆纤维素,并用离子液体溶解再生的方法制备结晶程度不同的结晶纤维素,研究纤维素结晶度与热解特性变化的关系,明晰了不同降解模式担子菌改善纤维素热解特性的机制。结果表明,褐腐菌Fomitopsis sp. IMER2主要通过提高秸秆纤维素中结晶型纤维素的相对含量,使其结构更加均一规则,从而改善了纤维素组分的热解性能,使热解失重率和失重速率增大。 初步研究了白腐菌I. lacteus CD2和褐腐菌Fomitopsis sp. IMER2预处理对毛竹及其木质纤维素组分热解特性影响的规律。白腐菌I. lacteus CD2的降解作用使毛竹木质素的含量减少,木质素红外特征吸收峰的强度减弱,从而促进了木质素组分的热解。 本论文深入研究了担子菌菌株不同降解模式影响生物质热化学转化特性的规律,并明晰了白腐菌I. lacteus CD2降解模式促进木质素热解的机制以及褐腐菌Fomitopsis sp. IMER2降解模式促进纤维素热解的机制,为担子菌生物预处理用于生物质的热解转化提供了理论及技术支撑。


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