基于玉米秸秆乙醇化的氨化预处理与酶解工艺研究

【摘要】： 我国是一个能源消耗大国,能源的短缺将会严重危害我国的经济发展和国家安全。因此开发新型能源以代替逐渐枯竭的传统能源将是我国今后能源产业的发展方向。生物燃料具有可再生,无污染的特点,因此备受各国的重视。木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源,被认为是最重要的生物燃料酒精生产的后续资源物质。相对于以玉米和大豆等粮食为原料的第一代生物燃料来说,以秸秆等植物纤维为原料的纤维素乙醇被称为第二代生物燃料,其最大优势在于避免了“与人争粮、与粮争地”的风险。因此,利用生物技术将木质纤维素转化成乙醇,具有重要的社会及经济意义。其中主要技术途径之一是利用生物技术将植物纤维原料转化成单糖,主要分为二步：1、原料预处理；2、纤维素的酶水解。目前预处理技术不尽人意,存在糖得率低、技术工艺复杂等问题,而纤维素的酶水解又存在水解速度慢、酶用量大等缺点。这两方面同时制约了纤维原料生物转化的发展。本论文以农业废弃物玉米秸秆为原料,对纤维原料的预处理方式及最优处理条件的筛选、酶解糖化条件的优化、超声波和金属离子对酶解的影响进行了研究,主要结果如下 采用氨水浸泡预处理、加压氨解预处理、超声波辅助氨水预处理三种方式处理玉米秸秆。氨水浸泡预处理的最优方案为：氨水浓度15%,时间39h,温度40℃,基质浓度162.5g／L,粒径0.5mm。在此条件下的预处理还原糖得率为3.23%,木质素去除率为61.20%。对应的酶解还原糖得率为45.28%,比未处理的12.51%,提高了32.77%。加压氨解预处理的最优方案为：氨水浓度15%,时间6min,压力0.075MPa,基质浓度150g/L,粒径1mm。在此条件下的预处理还原糖得率为1.74%,木质素去除率为43.30%。对应的酶解还原糖得率为21.36%,提高了8.85%。超声波辅助氨水预处理的最优方案为：氨水浓度12.5%,时间24min,功率240W,基质浓度187.5g／L,温度70℃,粒径0.5mm。在此条件下的预处理还原糖得率为1.51%,木质素去除率为32.20%。对应的酶解还原糖得率为40.33%,提高了27.82%。将最优处理结果进行比较并综合经济效益因素后认为,超声波辅助氨水预处理所需时间短、能耗低、效果较好,是比较理想的预处理方式。 采用经超声波辅助氨水预处理后的玉米秸秆为原料,在环境温度为50℃条件下进行酶解。基质浓度因素对还原糖得率影响极显著(p0.01),酶解时间对还原糖得率影响显著(p0.05)。酶解最优方案为：pH值5,基质浓度60g／L,酶用量47mg／g(干秸秆),酶解时间30h。在此条件下的酶解还原糖得率为49.00%,比未预处理玉米秸秆的酶解还原糖得率提高了36.49%。 一定程度的超声波辐射对酶解有促进作用。当酶解基质浓度为60g／L、酶用量为47mg／g(干秸秆)时,最适超声波功率为39W,超声波时间为9min。此时酶解还原糖得率为56.55%,比没有超声波参与酶解时提高了7.55%。 K+、Na+,Ca2+、Mg2+、Zn2+对纤维素酶起激活作用,有助于预处理产物的酶解,提高酶解还原糖得率。其中Zn2+对纤维素酶的激活作用最明显,其浓度为1.5mg／ml(酶液)时激活作用最大。Fe3+、Al3+则对纤维素酶起抑制作用。 【关键词】：燃料乙醇 玉米秸秆 氨水 预处理 酶解
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ353
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 第1章 文献综述12-23
• 1.1 燃料乙醇概述12-13
• 1.2 我国秸秆资源现状13-14
• 1.3 秸秆乙醇化技术研究现状14-21
• 1.3.1 秸秆乙醇化工艺流程14
• 1.3.2 秸秆的预处理技术14-19
• 1.3.3 秸秆的酶水解技术19-21
• 1.4 秸秆乙醇工业化生产现状21-22
• 1.5 展望22-23
• 第2章 引言23-25
• 2.1 研究意义23
• 2.2 研究内容与技术路线23-25
• 第3章 材料与方法25-32
• 3.1 试验材料25-26
• 3.1.1 原料25
• 3.1.2 主要试剂25
• 3.1.3 主要溶液配制25-26
• 3.2 主要试验仪器26
• 3.3 试验方法26-30
• 3.3.1 氨水浸泡预处理26-27
• 3.3.2 加压氨解预处理27-28
• 3.3.3 超声波辅助氨水预处理28-29
• 3.3.4 秸秆的酶水解29
• 3.3.5 超声波辅助酶水解29-30
• 3.3.6 金属离子辅助酶水解30
• 3.4 分析方法30-32
• 第4章 结果与讨论32-55
• 4.1 玉米秸秆预处理方法研究32-49
• 4.1.1 氨水浸泡预处理32-37
• 4.1.2 加压氨解预处理37-41
• 4.1.3 超声波辅助氨水预处理41-46
• 4.1.4 不同方式预处理效果与经济效益比较46-48
• 4.1.5 小结48-49
• 4.2 玉米秸秆酶解糖化的研究49-52
• 4.2.1 单因素试验结果49-50
• 4.2.2 正交试验结果50-51
• 4.2.3 小结51-52
• 4.3 超声波、金属离子辅助酶解糖化的研究52-55
• 4.3.1 超声波辅助酶水解52-53
• 4.3.2 金属离子辅助酶水解53-54
• 4.3.3 小结54-55
• 第5章 结论55-56
• 参考文献56-60
• 附录60-61
• 致谢61-62
• 在学期间所发表文章和参与课题情况62

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