玉米秸稈發(fā)酵前金屬離子處理及動力學研究

【摘要】：木質纖維素（如玉米秸稈）是一種可再生的生物質資源，主要由半纖維素、木質素和纖維素組成。其中纖維素目前被廣泛應用于發(fā)酵、化工等行業(yè)中。我國是個農業(yè)大國，每年有幾億噸農作物秸稈廢棄物產生，如果對這些廢棄秸稈進行綜合利用，如利用玉米秸稈發(fā)酵產乳酸、生物乙醇等，不僅可以有效的減少環(huán)境污染，而且還能帶來巨大的社會效益和經濟效益。因此，利用玉米秸稈來生產乳酸等生物產品是一種有效的廢物利用方式，然而合理的預處理方法是降低生產成本，促進酶解高效轉化的關鍵。 本論文以玉米秸稈為研究對象，首先采用均勻設計法優(yōu)化三種金屬離子溶液預處理玉米秸稈工藝條件，考察了其對玉米秸稈酶解效率及結構的影響，然后，將金屬離子溶液預處理方法作為一種新的活化方式，運用響應面設計法優(yōu)化了離子液體[BMIM]Cl處理秸稈活化后條件，并將其處理后的物料與原料進行了對比分析，最后確定三氯化鐵溶液為最優(yōu)活化方式，并對其活化后的玉米秸稈物料進行了熱動力學分析研究，以為實際的工業(yè)化生產提供參考。 首先，選取三氯化鐵溶液、氯化鋅溶液、三氯化鋁溶液作為預處理方法，采用均勻實驗設計優(yōu)化方法，運用DPS軟件對金屬離子預處理玉米秸稈進行了優(yōu)化實驗，并對預處理前后的玉米秸稈組分和結構進行了分析。酶解實驗結果表明，與未經任何的處理玉米秸稈相比，金屬離子溶液預處理后的樣品還原糖產率分別提高了131.6%,119.4%,46.6%；組分分析結果表明，處理后物料的非定形物質顯著減少，纖維素相對含量分別提高了72.19%,18.54%,7.95%；XRD和SEM結果表明秸稈空間結構被破壞。最佳還原糖產率金屬離子溶液預處理工藝參數：三氯化鐵溶液濃度0.6mol/l、反應溫度170℃、反應時間15min、液固比10:1ml/g；氯化鋅溶液濃度0.6mol/l、反應溫度120℃、反應時間30min，液固比10:1ml/g；三氯化鋁溶液濃度0.3mol/l、反應溫度170℃、反應時間30min，液固比15:1ml/g。 其次，選取最優(yōu)條件下三種金屬離子溶液活化處理后的物料，采用新近發(fā)展的離子液體分別溶解上述物料，利用響應曲面法進行實驗，確定最優(yōu)條件，并對處理前后的物料結構和組分含量進行了分析。實驗結果表明，與未經任何處理的玉米秸稈原料相比，酶解還原糖產率分別提高了157.85%，154.14%，150.41%；化學組分及結構形貌分析表明：離子液體處理后物料纖維素含量顯著增加，分別提高了68.11%，63.24%，60.54%；XRD和SEM結果表明經過離子液體處理后物料相對結晶度降低，此結構更有利于纖維素酶分子的吸附。最佳還原糖產率離子液體處理金屬離子溶液活化后物料工藝參數：離子液體處理三氯化鐵溶液活化后物料，底物質量分數為4.2%，反應溫度為85℃，反應時間為185min；離子液體處理氯化鋅溶液活化后物料，底物質量分數為3.8%，反應溫度為103℃，反應時間為357min;離子液體處理三氯化鋁溶液活化后物料,底物質量分數為3.6%，反應溫度為105℃，反應時間為230min。 最后，綜合還原糖酶解得率及活化處理后物料的結構分析結果，表明三氯化鐵溶液活化處理后的物料結果最優(yōu)，因此選擇經三氯化鐵溶液活化以及離子液體[BMIM]Cl處理活化后的玉米秸稈物料進行熱動力學分析研究。結果表明，玉米秸稈熱解過程分為:失水、主反應、碳化分解階段；處理后物料的熱穩(wěn)定順序為:原料＞三氯化鐵溶液處理＞離子液體處理三氯化鐵溶液活化。 本論文首次對三種金屬離子溶液預處理玉米秸稈的工藝進行了優(yōu)化研究，并對三氯化鐵溶液處理后物料的熱動力學機理進行了深入分析，這些基礎研究將為木質纖維素的工業(yè)化應用提供重要價值。 【關鍵詞】：玉米秸稈 酶解 金屬離子 離子液體 熱力學
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：S216.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 緒論10-16
• 1.1 問題的提出及研究意義10-11
• 1.1.1 問題的提出10
• 1.1.2 研究意義與目的10-11
• 1.2 國內外研究現狀11-15
• 1.2.1 木質纖維素的結構11
• 1.2.2 木質纖維素的資源化利用11-12
• 1.2.3 木質纖維素的預處理技術12-14
• 1.2.4 木質纖維素的熱動力學分析研究14
• 1.2.5 木質纖維素利用中的主要問題14-15
• 1.3 本課題研究的目的及主要內容15-16
• 1.3.1 研究目的15
• 1.3.2 本課題研究的主要實驗方法和內容15
• 1.3.3 創(chuàng)新點15-16
• 2 金屬離子溶液預處理工藝的優(yōu)化16-32
• 2.1 前言16
• 2.2 材料和方法16-22
• 2.2.1 原料16
• 2.2.2 纖維素酶16-17
• 2.2.3 試劑與儀器17
• 2.2.4 三種金屬離子預處理玉米秸稈原料17-18
• 2.2.5 酶解18-19
• 2.2.6 分析方法19-22
• 2.3 結果分析22-29
• 2.3.1 均勻實驗結果22-26
• 2.3.2 組分及 FTIR 分析26-28
• 2.3.3 XRD 分析28
• 2.3.4 SEM 分析28-29
• 2.4 討論29-30
• 2.4.1 金屬離子預處理各因素對玉米秸稈酶解還原糖產率的影響29
• 2.4.2 金屬離子預處理對玉米秸稈物料各組分的影響29-30
• 2.4.3 金屬離子預處理對玉米秸稈物料晶體結構的影響30
• 2.4.4 金屬離子預處理對玉米秸稈物料形貌的影響30
• 2.5 小結30-32
• 3 離子液體處理金屬離子溶液活化后玉米秸稈及酶解研究32-48
• 3.1 前言32
• 3.2 材料和方法32-35
• 3.2.1 原料32-33
• 3.2.2 纖維素酶33
• 3.2.3 離子液體[BMIM]Cl 處理金屬離子溶液活化玉米秸稈33
• 3.2.4 酶解33
• 3.2.5 響應曲面法優(yōu)化酶解實驗33-34
• 3.2.6 分析方法34-35
• 3.3 結果分析35-45
• 3.3.1 響應曲面法優(yōu)化實驗結果35-42
• 3.3.2 組分及 FTIR 分析42-44
• 3.3.3 XRD 分析44-45
• 3.3.4 SEM 分析45
• 3.4 討論45-47
• 3.4.1 響應曲面各因素對酶解結果的影響45
• 3.4.2 離子液體處理金屬離子活化后玉米秸稈各組分的影響45-46
• 3.4.3 離子液體處理金屬離子活化后玉米秸稈結晶度的影響46-47
• 3.4.4 離子液體處理金屬離子活化后玉米秸稈形貌的影響47
• 3.5 小結47-48
• 4 離子液體處理三氯化鐵溶液活化后秸稈纖維素熱解動力學研究48-56
• 4.1 前言48
• 4.2 材料和方法48-49
• 4.2.1 原料48
• 4.2.2 離子液體48
• 4.2.3 離子液體處理三氯化鐵溶液活化玉米秸稈48
• 4.2.4 木質纖維素熱降解動力學實驗方法48-49
• 4.2.5 分析方法49
• 4.3 結果分析49-54
• 4.3.1 熱解速率對玉米秸稈熱降解特性的影響49-50
• 4.3.2 預處理方式對玉米秸稈熱穩(wěn)定特性的影響50-54
• 4.4 討論54
• 4.4.1 熱解速率對玉米秸稈熱降解特性的影響54
• 4.4.2 預處理方式對玉米秸稈熱穩(wěn)定特性的影響54
• 4.5 小結54-56
• 5 結論與展望56-58
• 5.1 結論56-57
• 5.2 展望57-58
• 致謝58-59
• 參考文獻59-66
• 附錄66-67
• A 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄66
• B 作者在攻讀學位期間取得的科研成果目錄66-67
• C 作者在攻讀學位期間參加的科研項目67

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