利用農(nóng)作物秸稈制備乙醇的研究

【摘要】：生物質(zhì)能源(如燃料乙醇)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)通常被稱為最有前景的可再生替代能源。我國的秸稈資源數(shù)量巨大，促進(jìn)它的合理化利用，對(duì)減緩能源問題、降低環(huán)境壓力和推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有相當(dāng)重要的意義。在本課題中，選擇農(nóng)作物秸稈（玉米秸稈）作為探討的對(duì)象，對(duì)利用秸稈發(fā)酵制備乙醇的工藝過程（秸稈的稀硫酸預(yù)處理、秸稈處理后酶解及同步糖化發(fā)酵制乙醇）進(jìn)行了相關(guān)研究。 采用稀硫酸對(duì)秸稈作前期處理，探索溫度、稀硫酸濃度、時(shí)間和固液比的改變對(duì)過程的影響，接著用響應(yīng)曲面法優(yōu)化得到：在固液比10%時(shí)，稀硫酸濃度1.07%，溫度121.59°C，時(shí)間60.84min，處理的效果較好，還原糖得率達(dá)31.98%，在此條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還原糖得率達(dá)32.6%。 表征預(yù)處理后的秸稈，SEM圖表明秸稈發(fā)生不同程度的斷裂，表面蓬松出現(xiàn)很多形如蜂窩狀的空隙。FT IR分析：半纖維素的特征峰1740.5cm-1處的強(qiáng)度減弱，知其發(fā)生降解；木質(zhì)素的特征峰1648.9cm-1和1513.6cm-1處的強(qiáng)度略微降低，表示部分發(fā)生分解；纖維素的特征峰1421.7cm-1、1384.7cm-1和898.1cm-1處變化不是很明顯，稍微降低，說明極少部分降解。XRD顯示：秸稈的結(jié)晶度變小，更易被降解。熱重分析發(fā)現(xiàn)秸稈的降解溫度有所降低，作用活性增強(qiáng)，即峰向左移。 考察酶解過程，獲得較優(yōu)參數(shù)：酶用量為25FPU/g底物，底物濃度65.28g/L，溫度48.7°C，pH4.78和時(shí)間38.64h，酶解率高達(dá)41.97%，進(jìn)行驗(yàn)證酶解率是40.8%。非離子表面活性劑Tween20、Tween80及PEG6000對(duì)酶解有不同程度的強(qiáng)化效果，但離子型的SDS不利于酶解。吐溫試劑用量少時(shí)，Tween80較Tween20的增強(qiáng)效果明顯；用量相對(duì)多時(shí)，它們對(duì)酶解的促進(jìn)作用相差甚微，Tween80在加入量0.05g/g底物時(shí)，酶解率高達(dá)50.4%，Tween20加入0.06g/g底物，酶解率最好達(dá)49.2%，依次增加9.6%和8.4%。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同步糖化發(fā)酵較佳條件:發(fā)酵溫度37°C，接種量10%，持續(xù)時(shí)間72h，纖維素酶用量30FPU/g及轉(zhuǎn)速120r/min，乙醇產(chǎn)率達(dá)到0.132g/g。氣相色譜GC分析顯示:標(biāo)準(zhǔn)樣無水乙醇的峰(#1)的保留時(shí)間是1.853min，產(chǎn)物峰(#1)的則在1.879min，兩者相差0.026min，都在1.8min左右，可確定產(chǎn)物是乙醇。 【關(guān)鍵詞】：玉米秸稈 預(yù)處理 酶解 發(fā)酵
【學(xué)位授予單位】：西安工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TQ223.122
【目錄】：

• 摘要2-3
• ABSTRACT3-9
• 1 緒論9-27
• 1.1 選題背景9-10
• 1.1.1 生物質(zhì)能的概述9-10
• 1.1.2 我國秸稈資源的狀況10
• 1.2 研究燃料乙醇的意義10-11
• 1.2.1 減緩能源危機(jī)11
• 1.2.2 有助于環(huán)境保護(hù)11
• 1.2.3 推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展11
• 1.3 國內(nèi)外燃料乙醇的發(fā)展?fàn)顩r11-14
• 1.3.1 國外燃料乙醇的發(fā)展情況12-13
• 1.3.2 我國燃料乙醇的發(fā)展情況13-14
• 1.4 農(nóng)作物秸稈的組成和結(jié)構(gòu)性質(zhì)14-16
• 1.4.1 纖維素14-15
• 1.4.2 半纖維素15
• 1.4.3 木質(zhì)素15-16
• 1.5 利用農(nóng)作物秸稈制備乙醇的研究概述16-23
• 1.5.1 原料的預(yù)處理17-20
• 1.5.2 原料經(jīng)處理后水解20-22
• 1.5.3 原料糖化液的發(fā)酵方式22-23
• 1.6 農(nóng)作物秸稈制備乙醇需要解決的問題23-24
• 1.6.1 降低原料的成本23
• 1.6.2 降低預(yù)處理的成本23
• 1.6.3 降低纖維素酶的成本23-24
• 1.6.4 戊糖和己糖的高效利用24
• 1.7 響應(yīng)曲面法優(yōu)化的概述24-25
• 1.8 本課題研究的目的、內(nèi)容和技術(shù)路線25-27
• 1.8.1 研究的目的和內(nèi)容25
• 1.8.2 技術(shù)路線25-27
• 2 玉米秸稈稀硫酸預(yù)處理?xiàng)l件的研究27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料27-28
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料27
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)藥品27
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器27-28
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法28-32
• 2.3.1 秸稈中水分含量的測(cè)定28
• 2.3.2 秸稈中化學(xué)組分含量的測(cè)定28-29
• 2.3.3 DNS 法測(cè)定還原糖的含量29-30
• 2.3.4 秸稈稀硫酸預(yù)處理的單因素分析30-31
• 2.3.5 稀硫酸預(yù)處理?xiàng)l件的響應(yīng)曲面優(yōu)化31
• 2.3.6 玉米秸稈稀硫酸預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)表征分析31-32
• 2.4 結(jié)果與分析32-42
• 2.4.1 玉米秸稈組分的含量32
• 2.4.2 葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線32-33
• 2.4.3 溫度對(duì)秸稈預(yù)處理還原糖得率的影響33
• 2.4.4 稀硫酸濃度對(duì)秸稈預(yù)處理還原糖得率的影響33-34
• 2.4.5 時(shí)間對(duì)秸稈預(yù)處理還原糖得率的影響34
• 2.4.6 固液比對(duì)秸稈預(yù)處理還原糖得率的影響34-35
• 2.4.7 響應(yīng)曲面法優(yōu)化秸稈預(yù)處理的條件35-38
• 2.4.8 秸稈預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)表征38-42
• 2.5 本章小結(jié)42-43
• 3 玉米秸稈酶解條件的優(yōu)化研究43-57
• 3.1 引言43
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料43-44
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料43
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)藥品43-44
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器44
• 3.3 實(shí)驗(yàn)方法44-47
• 3.3.1 還原糖的測(cè)定44
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)所需試劑的配制44-45
• 3.3.3 酶活力的測(cè)定45-46
• 3.3.4 玉米秸稈稀硫酸預(yù)處理后酶解的單因素考察46
• 3.3.5 玉米秸稈稀硫酸預(yù)處理后酶解條件的優(yōu)化46-47
• 3.3.6 表面活性劑對(duì)纖維素酶解的影響47
• 3.4 結(jié)果與分析47-56
• 3.4.1 纖維素酶用量對(duì)預(yù)處理后玉米秸稈酶解的影響47-48
• 3.4.2 底物濃度對(duì)預(yù)處理后玉米秸稈酶解的影響48
• 3.4.3 溫度對(duì)預(yù)處理后玉米秸稈酶解的影響48-49
• 3.4.4 pH 對(duì)預(yù)處理后玉米秸稈酶解的影響49
• 3.4.5 時(shí)間對(duì)預(yù)處理后玉米秸稈酶解的影響49-50
• 3.4.6 玉米秸稈酶解條件響應(yīng)曲面優(yōu)化結(jié)果50-55
• 3.4.7 表面活性劑對(duì)玉米秸稈酶解的影響55-56
• 3.5 本章小結(jié)56-57
• 4 玉米秸稈同步糖化發(fā)酵制備乙醇的研究57-67
• 4.1 引言57
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料57-58
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料57
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)藥品57-58
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器58
• 4.2.4 實(shí)驗(yàn)菌種58
• 4.2.5 纖維素酶的稀釋方法58
• 4.2.6 酵母同步糖化發(fā)酵培養(yǎng)基的配制方法58
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方法58-61
• 4.3.1 干酵母的復(fù)水活化方法58
• 4.3.2 重鉻酸鉀氧化分光光度法測(cè)定發(fā)酵液中乙醇含量58-60
• 4.3.3 同步糖化發(fā)酵單因素實(shí)驗(yàn)內(nèi)容60
• 4.3.4 同步糖化發(fā)酵條件的正交優(yōu)化60-61
• 4.3.5 產(chǎn)物乙醇的氣相色譜分析61
• 4.4 結(jié)果與分析61-66
• 4.4.1 溫度對(duì) SSF 中乙醇產(chǎn)率的影響61
• 4.4.2 接種量對(duì) SSF 中乙醇產(chǎn)率的影響61-62
• 4.4.3 時(shí)間對(duì) SSF 中乙醇產(chǎn)率的影響62-63
• 4.4.4 纖維素酶用量對(duì) SSF 中乙醇產(chǎn)率的影響63
• 4.4.5 轉(zhuǎn)速對(duì) SSF 中乙醇產(chǎn)率的影響63-64
• 4.4.6 同步糖化發(fā)酵的正交優(yōu)化結(jié)果64-65
• 4.4.7 產(chǎn)物乙醇的氣相色譜分析結(jié)果65-66
• 4.5 本章小結(jié)66-67
• 5 結(jié)論67-68
• 參考文獻(xiàn)68-72
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表文章72-75
• 致謝75

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