利用农作物秸秆制备乙醇的研究

【摘要】：生物质能源(如燃料乙醇)以其独特优势通常被称为最有前景的可再生替代能源。我国的秸秆资源数量巨大，促进它的合理化利用，对减缓能源问题、降低环境压力和推动农业的发展有相当重要的意义。在本课题中，选择农作物秸秆（玉米秸秆）作为探讨的对象，对利用秸秆发酵制备乙醇的工艺过程（秸秆的稀硫酸预处理、秸秆处理后酶解及同步糖化发酵制乙醇）进行了相关研究。 采用稀硫酸对秸秆作前期处理，探索温度、稀硫酸浓度、时间和固液比的改变对过程的影响，接着用响应曲面法优化得到：在固液比10%时，稀硫酸浓度1.07%，温度121.59°C，时间60.84min，处理的效果较好，还原糖得率达31.98%，在此条件进行实验验证，还原糖得率达32.6%。 表征预处理后的秸秆，SEM图表明秸秆发生不同程度的断裂，表面蓬松出现很多形如蜂窝状的空隙。FT IR分析：半纤维素的特征峰1740.5cm-1处的强度减弱，知其发生降解；木质素的特征峰1648.9cm-1和1513.6cm-1处的强度略微降低，表示部分发生分解；纤维素的特征峰1421.7cm-1、1384.7cm-1和898.1cm-1处变化不是很明显，稍微降低，说明极少部分降解。XRD显示：秸秆的结晶度变小，更易被降解。热重分析发现秸秆的降解温度有所降低，作用活性增强，即峰向左移。 考察酶解过程，获得较优参数：酶用量为25FPU/g底物，底物浓度65.28g/L，温度48.7°C，pH4.78和时间38.64h，酶解率高达41.97%，进行验证酶解率是40.8%。非离子表面活性剂Tween20、Tween80及PEG6000对酶解有不同程度的强化效果，但离子型的SDS不利于酶解。吐温试剂用量少时，Tween80较Tween20的增强效果明显；用量相对多时，它们对酶解的促进作用相差甚微，Tween80在加入量0.05g/g底物时，酶解率高达50.4%，Tween20加入0.06g/g底物，酶解率最好达49.2%，依次增加9.6%和8.4%。 结果发现，同步糖化发酵较佳条件:发酵温度37°C，接种量10%，持续时间72h，纤维素酶用量30FPU/g及转速120r/min，乙醇产率达到0.132g/g。气相色谱GC分析显示:标准样无水乙醇的峰(#1)的保留时间是1.853min，产物峰(#1)的则在1.879min，两者相差0.026min，都在1.8min左右，可确定产物是乙醇。 【关键词】：玉米秸秆 预处理 酶解 发酵
【学位授予单位】：西安工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要2-3
• ABSTRACT3-9
• 1 绪论9-27
• 1.1 选题背景9-10
• 1.1.1 生物质能的概述9-10
• 1.1.2 我国秸秆资源的状况10
• 1.2 研究燃料乙醇的意义10-11
• 1.2.1 减缓能源危机11
• 1.2.2 有助于环境保护11
• 1.2.3 推动农业的发展11
• 1.3 国内外燃料乙醇的发展状况11-14
• 1.3.1 国外燃料乙醇的发展情况12-13
• 1.3.2 我国燃料乙醇的发展情况13-14
• 1.4 农作物秸秆的组成和结构性质14-16
• 1.4.1 纤维素14-15
• 1.4.2 半纤维素15
• 1.4.3 木质素15-16
• 1.5 利用农作物秸秆制备乙醇的研究概述16-23
• 1.5.1 原料的预处理17-20
• 1.5.2 原料经处理后水解20-22
• 1.5.3 原料糖化液的发酵方式22-23
• 1.6 农作物秸秆制备乙醇需要解决的问题23-24
• 1.6.1 降低原料的成本23
• 1.6.2 降低预处理的成本23
• 1.6.3 降低纤维素酶的成本23-24
• 1.6.4 戊糖和己糖的高效利用24
• 1.7 响应曲面法优化的概述24-25
• 1.8 本课题研究的目的、内容和技术路线25-27
• 1.8.1 研究的目的和内容25
• 1.8.2 技术路线25-27
• 2 玉米秸秆稀硫酸预处理条件的研究27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 实验材料27-28
• 2.2.1 实验原料27
• 2.2.2 实验药品27
• 2.2.3 实验仪器27-28
• 2.3 实验方法28-32
• 2.3.1 秸秆中水分含量的测定28
• 2.3.2 秸秆中化学组分含量的测定28-29
• 2.3.3 DNS 法测定还原糖的含量29-30
• 2.3.4 秸秆稀硫酸预处理的单因素分析30-31
• 2.3.5 稀硫酸预处理条件的响应曲面优化31
• 2.3.6 玉米秸秆稀硫酸预处理后的结构表征分析31-32
• 2.4 结果与分析32-42
• 2.4.1 玉米秸秆组分的含量32
• 2.4.2 葡萄糖的标准曲线32-33
• 2.4.3 温度对秸秆预处理还原糖得率的影响33
• 2.4.4 稀硫酸浓度对秸秆预处理还原糖得率的影响33-34
• 2.4.5 时间对秸秆预处理还原糖得率的影响34
• 2.4.6 固液比对秸秆预处理还原糖得率的影响34-35
• 2.4.7 响应曲面法优化秸秆预处理的条件35-38
• 2.4.8 秸秆预处理后的结构表征38-42
• 2.5 本章小结42-43
• 3 玉米秸秆酶解条件的优化研究43-57
• 3.1 引言43
• 3.2 实验材料43-44
• 3.2.1 实验原料43
• 3.2.2 实验药品43-44
• 3.2.3 实验仪器44
• 3.3 实验方法44-47
• 3.3.1 还原糖的测定44
• 3.3.2 实验所需试剂的配制44-45
• 3.3.3 酶活力的测定45-46
• 3.3.4 玉米秸秆稀硫酸预处理后酶解的单因素考察46
• 3.3.5 玉米秸秆稀硫酸预处理后酶解条件的优化46-47
• 3.3.6 表面活性剂对纤维素酶解的影响47
• 3.4 结果与分析47-56
• 3.4.1 纤维素酶用量对预处理后玉米秸秆酶解的影响47-48
• 3.4.2 底物浓度对预处理后玉米秸秆酶解的影响48
• 3.4.3 温度对预处理后玉米秸秆酶解的影响48-49
• 3.4.4 pH 对预处理后玉米秸秆酶解的影响49
• 3.4.5 时间对预处理后玉米秸秆酶解的影响49-50
• 3.4.6 玉米秸秆酶解条件响应曲面优化结果50-55
• 3.4.7 表面活性剂对玉米秸秆酶解的影响55-56
• 3.5 本章小结56-57
• 4 玉米秸秆同步糖化发酵制备乙醇的研究57-67
• 4.1 引言57
• 4.2 实验材料57-58
• 4.2.1 实验原料57
• 4.2.2 实验药品57-58
• 4.2.3 实验仪器58
• 4.2.4 实验菌种58
• 4.2.5 纤维素酶的稀释方法58
• 4.2.6 酵母同步糖化发酵培养基的配制方法58
• 4.3 实验方法58-61
• 4.3.1 干酵母的复水活化方法58
• 4.3.2 重铬酸钾氧化分光光度法测定发酵液中乙醇含量58-60
• 4.3.3 同步糖化发酵单因素实验内容60
• 4.3.4 同步糖化发酵条件的正交优化60-61
• 4.3.5 产物乙醇的气相色谱分析61
• 4.4 结果与分析61-66
• 4.4.1 温度对 SSF 中乙醇产率的影响61
• 4.4.2 接种量对 SSF 中乙醇产率的影响61-62
• 4.4.3 时间对 SSF 中乙醇产率的影响62-63
• 4.4.4 纤维素酶用量对 SSF 中乙醇产率的影响63
• 4.4.5 转速对 SSF 中乙醇产率的影响63-64
• 4.4.6 同步糖化发酵的正交优化结果64-65
• 4.4.7 产物乙醇的气相色谱分析结果65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 5 结论67-68
• 参考文献68-72
• 攻读学位期间发表文章72-75
• 致谢75

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