玉米秸秆稀硫酸预处理工艺研究

【摘要】： 生物质是地球上最丰富的可再生资源,它富含半纤维素,通过化学或生物手段可以被水解并发酵得到多种化合物或能源。木糖是一种重要的化工产品,它又是生产木糖醇的原料,木糖可以通过生物质转化得到。水解半纤维素最有效的方法之一就是稀硫酸预处理法。本文研究了稀硫酸预处理玉米秸秆过程中,不同的水解条件对预处理结果的影响。通过响应曲面法(RSM)设计实验,并借助统计软件,得到不同反应条件下稀硫酸预处理玉米秸秆的动力学方程并找到了实验条件下的最佳工艺条件。 首先探讨了稀硫酸预处理玉米秸秆的影响因素。研究了硫酸浓度、反应温度、固液比、粒径以及反应时间的变化对水解效率的影响。得到了水解率较高时每个单因子对应的取值范围。 在单次因子实验的基础上,研究了反应温度为121℃下,不同硫酸浓度和反应时间对玉米秸秆中半纤维素水解过程中木糖产率以及选择性系数的影响。建立了木糖产率和选择性系数对硫酸浓度和反应时间的两个二元二次多项式数学模型,借助模型方程及统计软件,得到了符合木糖产率大于75%,相关系数大于4.0g/g的水解条件,并找到了硫酸浓度为2.0%,水解时间为43min的最佳工艺条件。 对低温(100℃)、不同硫酸浓度(2%~6%)和反应时间(0min~300min)条件下玉米秸秆中半纤维素的水解进行了动力学分析,得到了该反应条件下玉米秸秆中半纤维素水解过程关于木糖、葡萄糖和糠醛的动力学参数和常数。得出了该温度条件下稀硫酸水解玉米秸秆的最佳反应条件是硫酸浓度5.5%,反应时间90min,此时水解液中产品的浓度分别是木糖19.91 g/L,葡萄糖7.61 g/L,糠醛0.84 g/L。 对低温(80℃)、不同硫酸浓度(2%~6%)和反应时间(0min~300min)条件下玉米秸秆中半纤维素的水解进行了动力学分析,得到了该反应条件下玉米秸秆中半纤维素水解过程关于木糖、葡萄糖和糠醛的动力学参数和常数。得出了该温度条件下,稀硫酸水解玉米秸秆的最佳反应条件是硫酸浓度6%,反应时间240min,此时水解液中产品的浓度分别是木糖13.54 g/L,葡萄糖5.39 g/L,糠醛1.05 g/L。 【关键词】：生物质 玉米秸秆 半纤维素 稀硫酸 响应曲面法 动力学
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ352
【目录】：

• 摘要2-3
• ABSTRACT3-8
• 第一章 文献综述8-25
• 1.1 生物质8-13
• 1.1.1 生物质能8-9
• 1.1.2 生物质的化学组成和结构9-13
• 1.2 生物质资源化的开发与利用13-18
• 1.2.1 生物质资源概况13-14
• 1.2.2 生物质资源化的现状14-15
• 1.2.3 生物质资源化的意义15-18
• 1.3 生物质预处理技术研究进展18-23
• 1.3.1 物理法18-20
• 1.3.2 化学法20-23
• 1.3.3 生物法23
• 1.4 本文选题和主要工作内容23-25
• 第二章 实验部分25-35
• 2.1 实验原料和试剂25-26
• 2.1.1 实验所用原料来源和预处理25
• 2.1.2 试剂来源及规格25-26
• 2.2 实验仪器设备26
• 2.3 稀硫酸预处理玉米秸秆的单次因子实验26-28
• 2.3.1 实验原料26
• 2.3.2 水解方法26-27
• 2.3.3 分析方法27-28
• 2.3.3.1 分析原理27
• 2.3.3.2 实验中所用溶液的配制方法27-28
• 2.3.3.3 还原糖含量的测定28
• 2.4 121℃时半纤维素水解条件的优化28-30
• 2.4.1 实验目的、原理28-29
• 2.4.2 实验步骤29-30
• 2.4.2.1 实验材料29
• 2.4.2.2 水解方法29
• 2.4.2.3 实验中所用溶液的配制方法29
• 2.4.2.4 高效液相色谱(HPLC)分析29-30
• 2.4.2.5 响应曲面法实验设计30
• 2.5 100℃时半纤维素动力学研究30-33
• 2.5.1 实验目的30-31
• 2.5.2 动力学模型31
• 2.5.3 实验步骤31-33
• 2.5.3.1 实验材料31
• 2.5.3.2 水解方法31-32
• 2.5.3.3 实验中所用溶液的配制方法32
• 2.5.3.4 糠醛含量的测定32-33
• 2.5.3.5 测量方法33
• 2.5.3.6 统计分析33
• 2.6 2.6 80℃时半纤维素动力学研究33-35
• 2.6.1 实验目的33
• 2.6.2 动力学模型33-34
• 2.6.3 实验步骤34-35
• 第三章 实验结果分析与讨论35-64
• 3.1 糖溶液标准曲线的绘制35-38
• 3.2 稀硫酸预处理玉米秸秆的单次因子实验38-44
• 3.2.1 硫酸浓度对水解率的影响38-39
• 3.2.2 反应温度对水解率的影响39-40
• 3.2.3 粒径对水解率的影响40-41
• 3.2.4 固液比对水解率的影响41-42
• 3.2.5 预处理时间对水解率的影响42-43
• 3.2.6 小结43-44
• 3.3 121℃时半纤维素水解条件的优化44-50
• 3.3.1 玉米秸秆成分及生成糖的分析44-45
• 3.3.2 模型方程的建立及其拟合优度的检验45-47
• 3.3.3 反应体系的优化与模型的验证47-49
• 3.3.4 小结49-50
• 3.4 100℃时半纤维素水解动力学研究50-57
• 3.4.1 实验结果50-52
• 3.4.2 木糖浓度的动力学模型52-54
• 3.4.3 葡萄糖浓度的动力学模型54-57
• 3.5 80℃时半纤维素水解动力学研究57-62
• 3.5.1 实验结果57-58
• 3.5.2 木糖浓度的动力学模型58-60
• 3.5.3 葡萄糖浓度的动力学模型60-62
• 3.6 实验总结62-64
• 第四章 结论64-66
• 参考文献66-71
• 发表论文和参加科研情况说明71-72
• 致谢72

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