微波预处理玉米秸秆的工艺研究

【摘要】： 木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源,被认为是最重要的燃料酒精生产的后续资源物质。目前利用木质纤维素生产燃料酒精的技术原理和工艺路线虽已被认知,但由于成本过高,导致纤维素酒精的价格尚无法与粮食酒精相竞争,开发新型低成本的燃料酒精生产技术已成为全世界共识。预处理方法和工艺是纤维素类生物质制取燃料酒精的关键步骤之一,其成本占据整个工艺的30%以上,而现有的各种方法都由于成本过高、能耗过大一直没有得到推广应用。因此开发经济适用、效果好的预处理方法对生物质制取燃料酒精具有重要意义。 本论文根据微波加热的基本原理,结合预处理的目标和特点,将其引入秸秆的预处理过程,对不同的吸波介质进行了比较和选择,并对该吸波介质下微波预处理的各项参数进行了优化。主要研究内容如下: 1、吸波介质的选择:分别以HCl、H2SO4、NaOH、H2O、NH3H2O为吸波介质,比较不同吸波介质下微波预处理的效果,通过对处理后秸秆的成分变化、酶解液还原糖含量以及对纤维素酶毒性的分析,确定水是对纤维素酶毒性最小、预处理效果较好且环保经济的吸波介质。 2、微波水预处理条件的优化:将秸秆分别在不同的液固比、不同的微波功率下处理不同时间后,分析其成分变化并对预处理过的秸秆进行酶水解和等温同时糖化(SSF),通过比较酶解后的单糖转化率和SSF乙醇产率得到微波水预处理的最优条件:以1g秸秆为底物,按照40:1的液固比加入水,在800W的微波下加热4min。以该条件下预处理的秸秆作底物,用纤维素酶水解和SSF时,获得49.1%的葡萄糖转化率,21.1%的木糖转化率和76%的理论乙醇产率。 3、微波预处理的机理分析:应用原子力显微镜(AFM)观察微波水预处理前后的秸秆表面形貌,发现未经处理的秸秆表面光滑、平整,纤维丝排列致密,而经微波预处理后的秸秆表面有很多微孔。结合本研究中预处理前后秸秆成分的变化结果,发现微波水预处理与传统的预处理方法原理不一样:传统的预处理方法都是通过纤维素与半纤维素或木质素的分离使秸秆致密的结构变得松散,从而提高底物的可消化性;而微波预处理是利用水分子在秸秆表面“钻孔”从而增大秸秆与纤维素酶的接触面积,也使得纤维素酶容易进入秸秆内部进行水解从而达到提高酶解效率的目的。 本论文首次对微波水预处理的工艺进行了优化研究,并通过AFM首次直接观察到了微波对秸秆形貌的影响,对微波预处理的机理进行了深入分析,这些基础研究将为木质纤维素制取燃料酒精的应用提供重要价值。 【关键词】：燃料酒精 玉米秸秆 微波预处理 AFM
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ352
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题意义及背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 秸秆的组成与结构11
• 1.2.2 秸秆的预处理11-16
• 1.3 课题的目的和意义16-17
• 第2章 实验原理与方法17-25
• 2.1 微波辐射的原理及应用17-18
• 2.1.1 微波辐射加热的原理17
• 2.1.2 微波辐射加热的特点17-18
• 2.1.3 微波辐射在环保领域中的应用18
• 2.2 实验材料与方法18-20
• 2.2.1 实验材料与仪器18-19
• 2.2.2 实验方法19-20
• 2.3 分析方法20-25
• 2.3.1 pH值的测定20
• 2.3.2 秸秆的化学成分分析20-21
• 2.3.3 还原糖含量的测定21-22
• 2.3.4 单糖含量的测定22
• 2.3.5 乙醇含量的测定22-23
• 2.3.6 秸秆含水率的测定23
• 2.3.7 秸秆表面形貌表征23-25
• 第3章 吸波介质对微波预处理的影响研究25-30
• 3.1 介质的选择与实验设计25
• 3.2 介质对秸秆pH值的影响25-26
• 3.3 介质对秸秆重量损失和化学成分的影响26-27
• 3.4 介质对酶解效率的影响27
• 3.5 介质对纤维素酶的毒性作用27-28
• 3.5.1 介质毒性作用的实验设计27-28
• 3.5.2 结果与分析28
• 3.6 介质的确定28-29
• 3.7 本章小结29-30
• 第4章 微波/水秸秆预处理工艺条件的研究30-43
• 4.1 微波加热时间对预处理的影响30-36
• 4.1.1 预处理时间对秸秆重量损失和化学成分的影响30-32
• 4.1.2 预处理时间对预处理液性质的影响32-33
• 4.1.3 预处理时间对酶解效果的影响33-35
• 4.1.4 预处理时间对SSF乙醇的影响35-36
• 4.2 液固比对微波预处理的影响36-37
• 4.3 微波功率对预处理的影响37-39
• 4.3.1 微波功率对酶解过程的影响37-38
• 4.3.2 微波功率对SSF乙醇产率的影响38-39
• 4.4 纤维素降解菌的SSF研究39
• 4.5 微波预处理工艺普适最优条件的确定39-40
• 4.6 微波预处理法与其它预处理方法的比较40-41
• 4.7 本章小结41-43
• 第5章 微波预处理机理的初步探索43-51
• 5.1 秸秆的结构模型43-44
• 5.2 秸秆的表面形貌44-46
• 5.3 微波预处理秸秆的机理分析46-49
• 5.4 微波预处理与酸化汽爆的机理对比49-50
• 5.5 本章小结50-51
• 结论51-52
• 参考文献52-58
• 致谢58

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