SPORL法预处理提高玉米秸秆糖化效率的研究

【摘要】：木质纤维素生产燃料乙醇是当前生物质能源的重点研究方向,预处理技术是实现木质纤维原料转化为燃料乙醇的关键,影响着酶水解效率和生产成本。目前许多预处理方法被研究开发,但在实际应用中仍存在效率低、成本和能耗高等问题。因此,研发高效、低成本的木质纤维素预处理方法对燃料乙醇实现工业化具有重大意义。本论文以玉米秸秆为原料,通过对葡萄糖得率、酶水解转化率、戊聚糖溶出率、戊聚糖保留率和木素溶出率的分析,考察了SPORL法预处理的影响因素、不同保温温度下的SPORL预处理反应历程、蒸汽爆破联合SPORL法预处理效果以及表面活性剂对酶水解的影响。首先,进行了SPORL法预处理的影响因素的研究。在所考察的范围内,亚硫酸氢钠用量为4.5%、硫酸用量1.84%、温度165℃和保温时间1h时,预处理效果较好。不同的预处理设备对预处理效果也有一定影响,4.5%NaHSO3+1.84%H2SO4预浸渍后进行蒸汽爆破处理,酶水解转化率可以达到94.14%。磨浆与疏解处理后的酶水解转化率比未机械处理的高近20%。其次,研究了最高温度分别为180℃时和165℃时的SPORL法预处理的反应历程。在最高温度为180℃时,随着温度的升高,木素溶出率呈现上升趋势,到180℃后继续延长时间变化趋于平缓；戊聚糖保留率一直呈下降趋势；戊聚糖溶出率开始随着温度的升高而升高,但超过160℃后,随着温度的继续升高和时间的延长,开始下降；酶解转化率和葡萄糖得率都是随着温度的升高而升高,到180℃后继续延长时间变化不大。在最高温度为165℃时,随着温度的升高和时间的延长,木素溶出率呈现上升趋势,戊聚糖保留率呈下降趋势；在165℃下保温30min时戊聚糖溶出率最高,酶解转化率达到93.68%。再次,研究了蒸汽爆破联合SPORL法预处理效果,重点讨论了饱和蒸汽压力、维压时间和预浸渍条件对预处理效果的影响；并得到最佳亚硫酸盐-蒸汽爆破工艺条件是：预浸渍化学品组成4.5%NaHSO3+1.84%H2SO4,爆破时的饱和蒸汽压力为1.92MPa、时间为5min,预处理效果最好。此条件下预处理后底物酶解转化率高达95.81%。最后,研究了不同HLB值的OP系列表面活性剂对SPORL法预处理玉米秸秆的酶水解效果的影响。在纤维素酶用量为7 FPU/g底物时,所研究的表面活性剂对酶水解转化率的提高有促进作用,其中以OP-7最为显著,当其添加量为1.5%时,酶水解转化率达到了95.43%,比不添加表面活性剂的酶水解转化率高21.16%。 【关键词】：玉米秸秆 SPORL法 预处理 反应历程 蒸汽爆破 酶水解 表面活性剂
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ914.3;TQ223.122
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 前言9-24
• 1.1 生物能源与纤维素乙醇9-11
• 1.1.1 能源危机与生物质能9-10
• 1.1.2 国内外纤维素乙醇的发展状况10-11
• 1.1.3 木质纤维素生产燃料乙醇的工艺及关键问题11
• 1.2 木质纤维素11-14
• 1.2.1 纤维素12-13
• 1.2.2 半纤维素13-14
• 1.2.3 木质素14
• 1.2.4 其他14
• 1.3 木质纤维素的预处理技术14-18
• 1.3.1 木质纤维素预处理的必要性14-15
• 1.3.2 预处理方法的分类及特点15-18
• 1.4 木质纤维素的酶水解18-20
• 1.4.1 纤维素酶的组分18
• 1.4.2 木质纤维素酶水解机理18-19
• 1.4.3 影响纤维素酶水解的因素19-20
• 1.5 发酵过程20-22
• 1.6 本论文研究的目的和内容22-24
• 1.6.1 研究目的23
• 1.6.2 研究内容23-24
• 2 实验材料与方法24-34
• 2.1 实验材料24-25
• 2.1.1 实验原料24
• 2.1.2 实验药品24-25
• 2.2 实验仪器25
• 2.3 实验方法25-34
• 2.3.1 玉米秸秆原料分析25-26
• 2.3.2 预处理方法26
• 2.3.3 液相成分分析26-29
• 2.3.4 底物酶水解29-32
• 2.3.5 底物成分分析32
• 2.3.6 计算公式32-34
• 3 结果与讨论34-60
• 3.1 SPORL法预处理玉米秸秆的效果的研究34-43
• 3.1.1 化学药品用量对预处理效果的影响34-38
• 3.1.2 温度及时间对预处理效果的影响38-39
• 3.1.3 不同预处理设备的预处理效果比较39-41
• 3.1.4 化学预处理后不同机械处理的效果比较41-42
• 3.1.5 小结42-43
• 3.2 SPORL法预处理玉米秸秆的反应历程研究43-47
• 3.2.1 反应历程中温度的变化趋势43
• 3.2.2 反应历程中得率的变化趋势43-44
• 3.2.3 反应历程中木素的变化趋势44-45
• 3.2.4 反应历程中半纤维素的变化趋势45-46
• 3.2.5 反应历程中酶解转化率和葡萄糖得率的变化趋势46-47
• 3.2.6 小结47
• 3.3 SPORL法联合蒸汽爆破法预处理效果的研究47-55
• 3.3.1 爆破压力对预处理效果的影响48-50
• 3.3.2 爆破时间对预处理效果的影响50-53
• 3.3.3 预浸渍对预处理效果的影响53-55
• 3.3.4 小结55
• 3.4 SPORL法预处理玉米秸秆酶水解效果的研究55-60
• 3.4.1 纤维素酶用量对底物酶水解的影响55-56
• 3.4.2 不同表面活性剂对酶水解效果的影响比较56-58
• 3.4.3 酶水解过程底物纤维形态变化观察58-59
• 3.4.4 小结59-60
• 4 全文总结60-62
• 4.1 本论文的主要结论60-61
• 4.2 本论文的创新之处61-62
• 5 展望62-63
• 6 参考文献63-69
• 7 攻读硕士学位期间发表论文情况69-70
• 8 致谢70

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