微生物溶煤过程的热动力学规律与调控机理研究

The biotransformation and utilization of coal will be a new direction for the green conversion and efficient use of coal in the future. In this study, lignite is selected as the object of study for its low calorific value and little burning value, the matching law of microorganism with coal and the mechanism of coal biosolubilization is investigated deeply. By using microcalorimetry, the thermogram of microorganism growth and metabolism in the process of coal biosolubilization is fully determined, the corresponding thermal kinetics equation is built and the growth rate constant is calculated. The optimum matching law of microorganism with coal is explored according to the growth rate constant combining the chemical and biochemical analysis of coal biosolubilization pruduct. Choosing the model compounds of coal macromolecular and referring the thermal kinetic paremeters of microorganism growth to build the simulation system, molecular dynamics method is empolyed to perform simulation of the coal biosolubilization process. Comprehensive analysis of the results of the microcalorimetry experiment, characterization of coal biosolubilization products and molecular dynamics simulation, the microscopic change processes of biological activity of microorganism and coal molecular structure are obtained, the regulation mechanism of coal biosolubilization is revealed and its optimum design is tried to achieve. This research provides the experimental and theoretic base for the clean transformation and efficient utilization of coal.

煤的微生物转化与利用是今后煤炭绿色转化和高效利用的新方向。本项目选择热值低，燃烧利用价值不大的褐煤作为研究对象，深入研究微生物溶煤过程的菌煤匹配规律和溶煤机理。采用微量热技术全程测定微生物在溶煤过程中的生长代谢热谱图，建立相应热动力学方程，计算微生物在溶煤过程中的生长速率常数，以此作为主要参数指标研究菌煤优化匹配的规律，并通过溶煤产物的化学和生化分析结果加以佐证。选择煤的大分子模型化合物，借助微量热实验测定的热动力学参数，构建模拟体系，利用分子动力学软件模拟微生物溶煤过程。综合分析微量热实验、化学和生化表征以及分子动力学模拟结果，获得微生物溶煤全过程微生物活性变化和煤结构变化的微观历程，揭示微生物溶煤过程的调控机理，并力争实现其优化设计，为煤炭的清洁转化和高效利用提供实验和理论基础。

微生物溶解煤条件温和，绿色环保，但微生物溶煤研究缺少，溶煤机理不清楚导致转化率普遍较低。本项目选择了46种微生物对18种低阶煤进行了微生物溶煤常规生化实验和微量热实验，全程记录了微生物在溶煤过程中的生长代谢热谱图，计算了指数生长期的生长速率常数k，探讨了菌煤匹配的规律。利用正交试验和响应面优化计算法分析了影响溶煤的因素，测定和分析了溶煤产物的组成和结构，获得了最优工艺条件和较高的溶煤率，揭示了微生物溶煤过程的调控机理，为煤的高效和环境友好转化和利用提供理论和实践指导。. 主要结果如下：..(1)细菌对煤的溶煤率较高，最高接近80%，具有较大的转化价值；真菌极易包裹煤样，造成分离困难，导致溶煤率偏低；放线菌的溶煤率介于细菌和真菌之间。.(2)微生物溶煤微量热实验均得到典型微生物生长热谱图，过程放热，作用时长7-14天，在3天左右达到最大放热量，k在10-5-10-4 min-1之间。.(3)菌煤匹配实验表明煤种在溶煤过程中起决定性的因素，其次是菌种的类型，本研究中，内蒙古赤峰褐煤易被多种菌种溶解，其中和荧光假单胞菌是最佳菌煤匹配对，溶煤率为79.29%。.(4)煤种一定时，影响细菌溶煤因素的顺序是：加煤量>煤样粒度>菌种浓度>培养基成分>发酵液pH>发酵液表面张力>培养方式，在反应原材料一定时，可通过调控发酵液pH和表面张力提高溶煤率。.(5)溶煤液相产物中主要有羧酸脂类、烃类、醇类、酰胺类、羧酸类、酚类等有机物。溶煤固相产物残煤中芳构化程度降低，孔隙结构坍塌，总比表面积和总孔容大幅降低，最大热分解处的温度降低，说明微生物的溶解作用解离了煤大分子结构。.(6) 微生物溶煤效果与发酵液的pH值成正比。残煤中含氧量的升高和低温区挥发性物质增多，溶煤液相产物中出现有机胺和酰胺类物质，均验证了溶煤产物是一类腐殖酸类的碱溶性物质，说明在目前溶煤实验条件下，微生物溶煤机理是碱性作用机理。