随着经济的发展,国家对能源的需求持续增加,能源耗竭及化石燃料导致的环境污染严重影响国家的发展。能源短缺与环境污染问题已成为影响国家乃至世界经济和发展的首要问题,亟待开发以生物质能为代表的可再生能源技术。作为第三代生物燃料,微藻生物质能源相对第一代(以粮食发酵制备乙醇),第二代(农村与城市废弃的纤维物质)更具有优势,正获得更广泛的关注。微藻生物质的微生物发酵转化为气体燃料(H2、CH4等),具有发酵条件温和、产气纯度高、工艺简单、成本低,不污染环境,且能最大限度的利用微藻生物质(包括碳水化合物、蛋白质、油脂三大主要物质)的优点,成为最具有前景的微藻生物质利用方法。由于微藻的复杂细胞结构,及其细胞壁的限制,微藻直接发酵的发酵效果并不理想,因此微藻发酵前必须采用高效预处理方法快速打破生物质的多层立体结构细胞壁纤维组织才能实现后续发酵的高效能源化利用。目前,水热水解预处理法由于其处理效果较好,能耗低,且无污染的优点,受到越来越多学者的青睐。但是,目前微藻水热水解预处理过程中的机理研究还存在很多不完善的地方,不利于微藻水热水解预处理结合细菌发酵转化成气体生物燃料的工业化应用。本文以蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa,CP)为研究对象,从中低温水热过程中微藻细胞形态变化,单因素、多因素协同对微藻水热物质析出及水解影响,微藻中低温水热的物质析出及水解的动力学及热力学分析等角度对微藻的水热预处理过程中物质析出及物质反应机理进行系统研究,最后对微藻中低温水热水解产生与发酵环境相匹配的产物进行定向调控。通过扫描电镜及透射电镜对微藻细胞的微观结构分析,发现水热水解的反应温度与停留时间对微藻细胞结构有显著的影响。反应温度上升,停留时间增加,微藻细胞破坏越剧烈,粒径减小,内部细胞器溶解析出越多,细胞内空白区域增大。进一步以析出的碳水化合物、蛋白质、水解得还原糖产率,水解得到还原糖得率为指标对反应过程进行表征,利用单因素变量法研究反应温度、停留时间、藻浆浓度、初始压力对微藻水热水解预处理的影响。结果表明,总碳水化合物、蛋白质析出产量、水解得还原糖产率都随着温度上升先增加后减小。碳水化合物的最佳温度在160-170°C之间,为259.55 mg/g dry biomass;而蛋白质的最佳温度在190°C,为368.75 mg/g dry biomass。蛋白质与碳水化合物产量随着停留时间增加,都先增加后基本维持不变;水解得还原糖得率随停留时间增加先增加后维持不变,再继续减小。随着藻浆浓度增加,蛋白与还原糖产量持续减小,碳水化合物产量先增加后下降。随着初始压力增加,碳水化合物、蛋白质析出溶解产量上下波动,基本维持不变。初始压力增加,水解得还原糖得率波动,基本维持不变。。采用适用于固液两相物质提取的two-site模型对微藻内部碳水化合物、蛋白质析出释放动力学进行研究,然后再通过二阶反应模型及等温下Van’t Hoff公式对微藻内部碳水化合物、蛋白质析出过程进行热力学研究。基于微藻细胞结构,利用two-site析出动力学对微藻内部的碳水化合物与蛋白质的析出全过程与停留反应过程分别进行动力学分析;不考虑具体的化学反应,将微藻内碳水化合物与蛋白质析出过程简化,看作是固体与水成为溶液的溶解反应,利用二阶反应模型对碳水化合物与蛋白质的溶解反应进行分析;在此基础之上,对微藻内碳水化合物与蛋白质析出过程进行热分析。微藻碳水化合物与蛋白质析出过程的实验数据与应用模型的拟合很好。微藻水热水解过程碳水化合物与蛋白质析出过程的关键影响因素并不只是分子间作用力和氢键,主要因素还包括是大分子碳水化合物与蛋白水解为小分子糖与蛋白质所需的能量。通过Guassion软件,运用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)对微藻水热水解过程中淀粉、蛋白质水解、葡萄糖与氨基酸相互反应的反应动力学及热力学进行了模拟分析。分析不同温度下淀粉、蛋白质水解、葡萄糖与氨基酸相互反应的活化能、焓值、自由能变化。温度对于碳水化合物、蛋白质水解、葡萄糖与氨基酸脱水缩合反应均有明显的影响。热力学分析可知碳水化合物中糖苷键水解吸热,且吸热量随着温度的增加而降低,最低吸热量为473 K时的34.70 kJ/mol。动力学分析可知,碳水化合物中糖苷键水解发生需要越过266.59 kJ/mol的能垒,随着温度的上升,反应物的能量越高,越容易越过此能垒,发生反应。热力学分析,常温下蛋白质肽键水解属于吸热反应,而373 K及以上温度发生的水解反应属于放热反应,最大放热量473 K时的0.96 kJ/mol,转化率也随着温度的上升而增加。动力学分析可知,蛋白质中肽键水解需要越过185.05 kJ/mol的能垒。热力学分析可知葡萄糖与甘氨酸脱水缩合形成希夫碱反应吸热,且吸热量随着温度的增加而增加,最大吸热量为473 K时的4.67 kJ/mol。动力学分子可知,葡萄糖与甘氨酸脱水缩合反应发生需要越过270.98 kJ/mol的能垒,随着温度的上升,反应物的能量越高,越容易越过此能垒,发生反应。根据模拟得到微藻水热水解过程中物质反应:糖苷键水解反应前后的焓值变化与自由能变化均为正;肽键水解反应前后焓值变化与自由能变化为负。从物质析出动力学研究中得出碳水化合物与蛋白质析出的焓变化ΔH分别为72.52、76.98 kJ mol-1,且析出过程的ΔG均为负值,说明在对应的水热水解条件下,碳水化合物与蛋白质析出释放过程是吸热过程,且能够自发反应。与模拟得到的水解反应的焓值变化与自由能变化有差别,分析原因发现大分子碳水化合物(蛋白质)分子内多个糖苷键(肽键、二硫键)和氢键及分子间作用力同时影响析出过程。利用响应曲面法研究反应温度、停留时间、初始压力对蛋白核小球藻水热水解预处理中藻细胞碳水化合物和蛋白质析出过程的协同作用及影响,研究发现,反应温度、初始压力、反应停留时间三者的交互作用对微藻水热水解物质析出影响很关键。对于碳水化合物析出,反应温度与反应时间之间交互作用对碳水化合物析出的影响非常显著,其次是温度与初始压力之间的交互作用。对于蛋白质析出,反应温度与反应时间之间交互作用的影响更显著。对于反应后水溶液中的化学需氧量COD,反应温度与初始压力之间交互作用对COD析出的影响更显著。在此基础上,采用低含量酸/碱定向调控微藻水热中以还原糖为主要指标的与发酵环境相匹配的产物产生。低含量酸/碱辅助对于水热条件下,微藻内部物质水解产生的还原糖的过程均有很明显的提升作用。但是添加碱催化剂也大幅度提升水热条件下微藻物质水解过程中的副反应强度,反应后溶液的色度相对未添加催化剂的色度提高在30倍以上,不利于后期发酵。相对于碱辅助,低含量酸辅助对于还原糖水解得率提升效果相近,而对于副反应没有明显的提升。而且低含量甲酸辅助,能使得副反应强度相对硫酸辅助进一步减小,甲酸后期还能够被细菌有效发酵利用,无需回收,低含量甲酸辅助定向调控微藻水热中产生以还原糖为主要指标与发酵环境相匹配的产物,效果很好。