改进玉米秸秆化学预处理以提高生物酶解糖类转化的研究

【摘要】：经济的飞速发展增加了全球对于能源的需求，加重了能源问题和环境问题。显然，从能源的高效利用以及资源的可持续发展角度来看，由石油化工中获取燃料的方式面临着严峻的困难。近十几年来，来自于化石能源之外的生物质转化利用日趋受到重视。从木质纤维资源中，通过化学转化和生物转化的方式，可以获得重要的生物质燃料（例如乙醇、丁醇等）以及有着多种用途的木质素产品（例如混凝土减水剂、酚醛树脂等），这些产品有着广阔的需求和商业应用。因此，充分利用可再生的而且与环境兼容的木质纤维资源，为开发生物能源、生物基化学品以及生物基材料提供了广阔的发展前景。 在本课题中，采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na_2SO_3、NaOH+Na_2S、H2SO4+Na_2SO_3以及H2SO4等不同化学药品分别组合，研究了玉米秸秆的预处理，并通过改变温度和药品用量，考察对预处理后物料的得率、木质素脱除率和碳水化合物保留率的影响，并且进一步研究了化学预处理对后续酶解处理的效率及总糖得率的影响。其中，针对亚硫酸钠法预处理，在药品用量上进行了优化，取得了理想的糖类成分转化效果。讨论了亚硫酸钠法预处理过程中，温度、时间和用碱量三个因素对预处理效果与总糖得率的因素影响顺序。 研究结果表明，相比单独的氢氧化钠预处理方式，在其它条件相同的条件下，氢氧化钠与AQ、Na_2SO_3、Na_2S和Na_2SO_3组合，有利于提高后续的酶解效率及总糖得率。在处理温度140℃，用碱量为10%（以NaOH计）时，碱性亚硫酸钠法预处理玉米秸秆可以得到最佳的处理效果，木质素脱除率达到90.2%。预处理后的物料采用纤维素酶和β-葡萄糖苷酶生物酶解处理48小时，聚葡萄糖和聚木糖的酶解得率分别为84.7%和81.1%，总糖（葡萄糖和木糖）得率分别为44.1%，比同样条件下的氢氧化钠预处理提高了13.5%。 在优化的亚硫酸钠法预处理中发现，在140℃、10%用碱量（以NaOH计）的条件下，Na_2SO_3浓度为0.8%时的糖类转化效果最佳，总糖（葡萄糖和木糖）得率可达48.1%，相比同样条件下的氢氧化钠法预处理，总糖得率可提高24.0%。这表明原始物料中78.2%的葡萄糖和木糖成分可供生物酶的水解转化，葡萄糖和木糖的糖得率分别为34.0%和14.1%。通过正交试验可以得知，用碱量是影响亚硫酸钠法预处理的最主要因素，影响总糖得率的因素依次为：用碱量温度时间。温和条件下的碱性亚硫酸钠处理，不仅可以提高后续生物酶解处理时的碳水化合物酶解转化效率，过程中产生的木质素磺酸盐也可进行回收利用，是玉米秸秆生物转化的理想及可行途径。 【关键词】：玉米秸秆 化学预处理 亚硫酸钠 生物酶解处理 糖类转化率
【学位授予单位】：山东轻工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第1章 绪论11-31
• 1.1 生物质能源的发展概述11-20
• 1.1.1 生物质能源的分类11-12
• 1.1.2 木质纤维原料中各组分的分级与分离技术12-20
• 1.2 纤维素乙醇的发展与利用20-22
• 1.2.1 纤维素乙醇的发展现状20-21
• 1.2.2 纤维素乙醇的商业化之路21-22
• 1.3 生物质预处理技术概述22-25
• 1.3.1 预处理技术的条件与目的22-23
• 1.3.2 生物质预处理技术的分类23-25
• 1.4 生物质的碱预处理技术25-28
• 1.4.1 氢氧化钠、氢氧化钙预处理法25-26
• 1.4.2 氢氧化钠、氢氧化钙结合其它化学药品的预处理法26-27
• 1.4.3 氢氧化钠、氢氧化钙结合其它物理方式的预处理法27-28
• 1.4.4 氨冷冻爆破法（AFEX）28
• 1.5 木质纤维素的酶解糖类转化技术28-29
• 1.5.1 纤维素酶的作用方式28-29
• 1.5.2 影响纤维素酶活性的因素29
• 1.6 选题目的、意义及主要研究内容29-31
• 1.6.1 选题目的和意义29-30
• 1.6.2 主要研究内容30-31
• 第2章 化学预处理及其实验方法31-43
• 2.1 化学预处理的设备与原料31-32
• 2.1.1 主要设备31
• 2.1.2 预处理所用原料31-32
• 2.1.3 预处理所用药品32
• 2.2 纤维素酶活的分析测定32-34
• 2.2.1 试验所用酶及其酶活32
• 2.2.2 酶活检测所用药品与仪器32-33
• 2.2.3 葡萄糖标准曲线的制定33
• 2.2.4 酶活力的检测33-34
• 2.3 预处理后原料的可酶解糖类转化34-35
• 2.3.1 原料及药品34
• 2.3.2 主要设备34
• 2.3.3 酶水解处理34-35
• 2.4 预处理前后木质纤维原料的化学成分分析35-37
• 2.4.1 抽出物组分的测定35-36
• 2.4.2 碳水化合物和木质素的测定36-37
• 2.5 碳水化合物组分的高效液相色谱分析37-40
• 2.5.1 高效液相色谱仪及操作参数37
• 2.5.2 高效液相色谱分析所用的试剂37
• 2.5.3 试样的制备或准备37-38
• 2.5.4 样品的出峰时间38-39
• 2.5.5 样品各成分含量的计算方法39-40
• 2.6 酶解效率和总糖得率的计算40-43
• 2.6.1 聚糖的酶解效率与计算40
• 2.6.2 总糖的得率及糖类衡算40-43
• 第3章 改进玉米秸秆碱法预处理以提高酶解效率的研究43-55
• 3.1 概述43-44
• 3.2 实验44-45
• 3.2.1 原料及药品44
• 3.2.2 实验方法及成分检测44-45
• 3.3 结果和讨论45-50
• 3.3.1 预处理物料得率及化学组分分析45
• 3.3.2 预处理原料的木质素脱除率45-47
• 3.3.3 预处理物料中碳水化合物的保留率47-48
• 3.3.4 预处理物料碳水化合物的酶解效率48-49
• 3.3.5 预处理后的总糖得率49-50
• 3.4 扫描电子显微镜分析50-52
• 3.5 X-射线衍射分析52-53
• 3.6 小结53-55
• 第4章 亚硫酸钠法预处理条件的优化试验55-63
• 4.1 概述55
• 4.2 实验55-56
• 4.2.1 原料及药品55-56
• 4.2.2 实验方法及分析56
• 4.3 结果与讨论56-61
• 4.3.1 预处理物料得率及化学成分分析56-57
• 4.3.2 预处理物料碳水化合物的酶解效率57-58
• 4.3.3 纤维贰糖对酶解动力学的影响58-59
• 4.3.4 优化处理条件后的总糖得率59-61
• 4.4 小结61-63
• 第5章 亚硫酸钠法预处理的正交试验分析63-67
• 5.1 实验部分63-64
• 5.1.1 原料及药品63
• 5.1.2 实验方法及分析63-64
• 5.2 结果与讨论64-65
• 5.3 小结65-67
• 第6章 结论67-69
• 论文的创新之处和进一步研究工作69-71
• 参考文献71-81
• 致谢81-83
• 攻读硕士期间发表的学术论文83

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