甜高粱秸秆水解的研究

【摘要】：甜高梁有“高能植物”之称,在保证粮食安全和燃料乙醇生产方面具有广阔的应用前景。目前,甜高粱秸秆制取可发酵糖是全球关注的热点,但仍然缺乏深入全面的研究。所以,本文以甜高粱秸秆为原料,对其水解进行了研究。 首先探讨了甜高粱秸秆稀酸预处理的影响因素,主要考察了水解温度、反应时间、酸浓度对半纤维素水解及副产物糠醛和乙酸浓度的影响。结果表明：在盐酸浓度为0.75%,反应温度140℃,反应时间10min的工艺条件下,水解液中木糖浓度为22.38g/L,收率高达77.5%,而发酵抑制物浓度较低,糠醛浓度仅为0.98g/L,乙酸浓度为2.52g/L,这说明此预处理水解液适合于后续的乙醇发酵。 以预处理甜高粱秸秆后的残渣为原料,考察了稀酸水解对残渣中纤维素水解及发酵抑制物乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛浓度的影响。结果表明：在盐酸质量分数为1.0%,反应温度170℃,反应时间10min的工艺条件下,测得水解液中葡萄糖浓度为35.38g/L,收率为70.10%,此时水解液中糠醛、乙酸、5-羟甲基糠醛(5-HMF)、乙酰丙酸(LA)的浓度依次为0.22g/L、0.99g/L、0.73g/L、1.60g/L。与甜高粱秸秆预处理相比,纤维素的水解条件稍微苛刻,但发酵抑制物的浓度较低,这表明只有少量的葡萄糖发生了降解。 为了与纤维素的稀酸水解进行比较,还对甜高粱预处理残渣进行了酶水解的研究。确定了酶水解的最优条件：酶用量75U/g,两种酶比例3：1,温度50℃,pH4.5,液固比10：1,此时酶水解率高达85.31%,葡萄糖浓度为61.59g/L。研究还指出葡萄糖对纤维素的酶水解有强烈的抑制作用；分批添加酶催化剂利于提高酶水解速率和最终的酶水解率。 最后,在实验的基础上建立了甜高粱秸秆稀酸预处理和残渣中纤维素稀酸水解动力学模型,经非线性拟合得出半纤维素难易水解、木糖降解、纤维素水解及葡萄糖降解速率表达式依次如下： 【关键词】：甜高粱秸秆 稀酸水解 酶水解 动力学模型
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 引言12-13
• 第1章 文献综述13-29
• 1.1 木质纤维素13-15
• 1.1.1 木质纤维素的概述13
• 1.1.2 木质纤维素的基本结构13-15
• 1.2 木质纤维素的预处理现状15-22
• 1.2.1 物理方法16-17
• 1.2.2 化学方法17-20
• 1.2.3 生物方法20
• 1.2.4 物理化学方法20-22
• 1.3 木质纤维素的水解现状22-24
• 1.3.1 木质纤维素的酸水解进展22
• 1.3.2 木质纤维素的酶水解进展22-24
• 1.3.3 水解产物的分析24
• 1.4 木质纤维素的酸水解动力学24-26
• 1.5 实验原料甜高粱26-28
• 1.5.1 甜高粱的概述26-28
• 1.5.2 甜高粱发展现状及建议28
• 1.6 本课题的选题意义及研究内容28-29
• 第2章 甜高粱秸秆的稀酸预处理29-41
• 2.1 实验仪器及试剂29
• 2.1.1 实验仪器29
• 2.1.2 实验试剂29
• 2.2 实验原料29-30
• 2.3 实验方法30-31
• 2.3.1 实验设备及操作流程30
• 2.3.2 预处理实验方法30-31
• 2.4 分析方法31-34
• 2.4.1 原料组分分析31-32
• 2.4.2 水解液中单糖含量的分析32-33
• 2.4.3 水解液中发酵抑制物含量的分析33-34
• 2.5 结果讨论与分析34-40
• 2.5.1 实验原料组分34-35
• 2.5.2 反应条件对木糖及糠醛的影响35-38
• 2.5.3 反应条件对葡萄糖的影响38-39
• 2.5.4 反应条件对乙酸浓度的影响39-40
• 2.6 结论40-41
• 第3章 预处理后甜高粱残渣的稀酸水解41-48
• 3.1 实验仪器及试剂41
• 3.1.1 实验仪器41
• 3.1.2 实验试剂41
• 3.2 实验原料41
• 3.3 实验方法41-42
• 3.3.1 实验设备及操作流程41
• 3.3.2 稀酸水解方法41-42
• 3.4 水解液中成分分析42
• 3.4.1 原料组分分析42
• 3.4.2 葡萄糖含量的分析42
• 3.4.3 发酵抑制物含量分析42
• 3.5 结果讨论与分析42-47
• 3.5.1 残渣组分分析42
• 3.5.2 反就条件对葡萄糖的影响42-45
• 3.5.3 反应条件对乙酸和糖醛浓度的影响45-46
• 3.5.4 反应条件对5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸浓度的影响46-47
• 3.6 结论47-48
• 第4章 预处理后甜高粱残渣的酶水解48-55
• 4.1 实验仪器及试剂48
• 4.1.1 主要实验设备48
• 4.1.2 实验试剂48
• 4.2 实验原料和酶催化剂48
• 4.3 酶解方法48-50
• 4.3.1 酶活的测定48-49
• 4.3.2 酶解的实验方法49-50
• 4.4 实验结果与讨论50-54
• 4.4.1 两种酶用量比例对酶水解的影响50-51
• 4.4.2 pH对酶水解的影响51
• 4.4.3 温度对酶水解的影响51-52
• 4.4.4 酶用量对水解的影响52-53
• 4.4.5 纤维素酶水解最优条件的确定53
• 4.4.6 葡萄糖对酶水解的影响53
• 4.4.7 酶添加方式对酶水解的影响53-54
• 4.5 结论54-55
• 第5章 甜高粱秸秆稀酸水解动力学的研究55-69
• 5.1 模型的基本假设55
• 5.2 动力学模型的建立55-57
• 5.2.1 半纤维素动力学模型的建立55-56
• 5.2.2 纤维素动力学模型的建立56-57
• 5.3 水解速率常数的计算57-59
• 5.3.1 半纤维素水解速率常数的计算57-58
• 5.3.2 纤维素水解速率常数的计算58-59
• 5.4 反应动力学参数的计算59-60
• 5.5 模型的验证60-62
• 5.6 发酵抑制物动力学模型的建立62-68
• 5.6.1 糠醛动力学模型62-64
• 5.6.2 酸动力学模型64-65
• 5.6.3 5-HMF动力学模型65-66
• 5.6.4 LA动力学模型66-68
• 5.7 结论68-69
• 第6章 总结69-70
• 参考文献70-78
• 致谢78-79
• 论文发表情况79-80
• 创新点80

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