改進(jìn)玉米秸稈化學(xué)預(yù)處理以提高生物酶解糖類轉(zhuǎn)化的研究

【摘要】：經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展增加了全球?qū)τ谀茉吹男枨?，加重了能源問題和環(huán)境問題。顯然，從能源的高效利用以及資源的可持續(xù)發(fā)展角度來(lái)看，由石油化工中獲取燃料的方式面臨著嚴(yán)峻的困難。近十幾年來(lái)，來(lái)自于化石能源之外的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用日趨受到重視。從木質(zhì)纖維資源中，通過化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化的方式，可以獲得重要的生物質(zhì)燃料（例如乙醇、丁醇等）以及有著多種用途的木質(zhì)素產(chǎn)品（例如混凝土減水劑、酚醛樹脂等），這些產(chǎn)品有著廣闊的需求和商業(yè)應(yīng)用。因此，充分利用可再生的而且與環(huán)境兼容的木質(zhì)纖維資源，為開發(fā)生物能源、生物基化學(xué)品以及生物基材料提供了廣闊的發(fā)展前景。 在本課題中，采用NaOH、NaOH+AQ、NaOH+Na_2SO_3、NaOH+Na_2S、H2SO4+Na_2SO_3以及H2SO4等不同化學(xué)藥品分別組合，研究了玉米秸稈的預(yù)處理，并通過改變溫度和藥品用量，考察對(duì)預(yù)處理后物料的得率、木質(zhì)素脫除率和碳水化合物保留率的影響，并且進(jìn)一步研究了化學(xué)預(yù)處理對(duì)后續(xù)酶解處理的效率及總糖得率的影響。其中，針對(duì)亞硫酸鈉法預(yù)處理，在藥品用量上進(jìn)行了優(yōu)化，取得了理想的糖類成分轉(zhuǎn)化效果。討論了亞硫酸鈉法預(yù)處理過程中，溫度、時(shí)間和用堿量三個(gè)因素對(duì)預(yù)處理效果與總糖得率的因素影響順序。 研究結(jié)果表明，相比單獨(dú)的氫氧化鈉預(yù)處理方式，在其它條件相同的條件下，氫氧化鈉與AQ、Na_2SO_3、Na_2S和Na_2SO_3組合，有利于提高后續(xù)的酶解效率及總糖得率。在處理溫度140℃，用堿量為10%（以NaOH計(jì)）時(shí)，堿性亞硫酸鈉法預(yù)處理玉米秸稈可以得到最佳的處理效果，木質(zhì)素脫除率達(dá)到90.2%。預(yù)處理后的物料采用纖維素酶和β-葡萄糖苷酶生物酶解處理48小時(shí)，聚葡萄糖和聚木糖的酶解得率分別為84.7%和81.1%，總糖（葡萄糖和木糖）得率分別為44.1%，比同樣條件下的氫氧化鈉預(yù)處理提高了13.5%。 在優(yōu)化的亞硫酸鈉法預(yù)處理中發(fā)現(xiàn)，在140℃、10%用堿量（以NaOH計(jì)）的條件下，Na_2SO_3濃度為0.8%時(shí)的糖類轉(zhuǎn)化效果最佳，總糖（葡萄糖和木糖）得率可達(dá)48.1%，相比同樣條件下的氫氧化鈉法預(yù)處理，總糖得率可提高24.0%。這表明原始物料中78.2%的葡萄糖和木糖成分可供生物酶的水解轉(zhuǎn)化，葡萄糖和木糖的糖得率分別為34.0%和14.1%。通過正交試驗(yàn)可以得知，用堿量是影響亞硫酸鈉法預(yù)處理的最主要因素，影響總糖得率的因素依次為：用堿量溫度時(shí)間。溫和條件下的堿性亞硫酸鈉處理，不僅可以提高后續(xù)生物酶解處理時(shí)的碳水化合物酶解轉(zhuǎn)化效率，過程中產(chǎn)生的木質(zhì)素磺酸鹽也可進(jìn)行回收利用，是玉米秸稈生物轉(zhuǎn)化的理想及可行途徑。 【關(guān)鍵詞】：玉米秸稈 化學(xué)預(yù)處理 亞硫酸鈉 生物酶解處理 糖類轉(zhuǎn)化率
【學(xué)位授予單位】：山東輕工業(yè)學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：X712
【目錄】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第1章 緒論11-31
• 1.1 生物質(zhì)能源的發(fā)展概述11-20
• 1.1.1 生物質(zhì)能源的分類11-12
• 1.1.2 木質(zhì)纖維原料中各組分的分級(jí)與分離技術(shù)12-20
• 1.2 纖維素乙醇的發(fā)展與利用20-22
• 1.2.1 纖維素乙醇的發(fā)展現(xiàn)狀20-21
• 1.2.2 纖維素乙醇的商業(yè)化之路21-22
• 1.3 生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)概述22-25
• 1.3.1 預(yù)處理技術(shù)的條件與目的22-23
• 1.3.2 生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)的分類23-25
• 1.4 生物質(zhì)的堿預(yù)處理技術(shù)25-28
• 1.4.1 氫氧化鈉、氫氧化鈣預(yù)處理法25-26
• 1.4.2 氫氧化鈉、氫氧化鈣結(jié)合其它化學(xué)藥品的預(yù)處理法26-27
• 1.4.3 氫氧化鈉、氫氧化鈣結(jié)合其它物理方式的預(yù)處理法27-28
• 1.4.4 氨冷凍爆破法（AFEX）28
• 1.5 木質(zhì)纖維素的酶解糖類轉(zhuǎn)化技術(shù)28-29
• 1.5.1 纖維素酶的作用方式28-29
• 1.5.2 影響纖維素酶活性的因素29
• 1.6 選題目的、意義及主要研究?jī)?nèi)容29-31
• 1.6.1 選題目的和意義29-30
• 1.6.2 主要研究?jī)?nèi)容30-31
• 第2章 化學(xué)預(yù)處理及其實(shí)驗(yàn)方法31-43
• 2.1 化學(xué)預(yù)處理的設(shè)備與原料31-32
• 2.1.1 主要設(shè)備31
• 2.1.2 預(yù)處理所用原料31-32
• 2.1.3 預(yù)處理所用藥品32
• 2.2 纖維素酶活的分析測(cè)定32-34
• 2.2.1 試驗(yàn)所用酶及其酶活32
• 2.2.2 酶活檢測(cè)所用藥品與儀器32-33
• 2.2.3 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制定33
• 2.2.4 酶活力的檢測(cè)33-34
• 2.3 預(yù)處理后原料的可酶解糖類轉(zhuǎn)化34-35
• 2.3.1 原料及藥品34
• 2.3.2 主要設(shè)備34
• 2.3.3 酶水解處理34-35
• 2.4 預(yù)處理前后木質(zhì)纖維原料的化學(xué)成分分析35-37
• 2.4.1 抽出物組分的測(cè)定35-36
• 2.4.2 碳水化合物和木質(zhì)素的測(cè)定36-37
• 2.5 碳水化合物組分的高效液相色譜分析37-40
• 2.5.1 高效液相色譜儀及操作參數(shù)37
• 2.5.2 高效液相色譜分析所用的試劑37
• 2.5.3 試樣的制備或準(zhǔn)備37-38
• 2.5.4 樣品的出峰時(shí)間38-39
• 2.5.5 樣品各成分含量的計(jì)算方法39-40
• 2.6 酶解效率和總糖得率的計(jì)算40-43
• 2.6.1 聚糖的酶解效率與計(jì)算40
• 2.6.2 總糖的得率及糖類衡算40-43
• 第3章 改進(jìn)玉米秸稈堿法預(yù)處理以提高酶解效率的研究43-55
• 3.1 概述43-44
• 3.2 實(shí)驗(yàn)44-45
• 3.2.1 原料及藥品44
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法及成分檢測(cè)44-45
• 3.3 結(jié)果和討論45-50
• 3.3.1 預(yù)處理物料得率及化學(xué)組分分析45
• 3.3.2 預(yù)處理原料的木質(zhì)素脫除率45-47
• 3.3.3 預(yù)處理物料中碳水化合物的保留率47-48
• 3.3.4 預(yù)處理物料碳水化合物的酶解效率48-49
• 3.3.5 預(yù)處理后的總糖得率49-50
• 3.4 掃描電子顯微鏡分析50-52
• 3.5 X-射線衍射分析52-53
• 3.6 小結(jié)53-55
• 第4章 亞硫酸鈉法預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化試驗(yàn)55-63
• 4.1 概述55
• 4.2 實(shí)驗(yàn)55-56
• 4.2.1 原料及藥品55-56
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)方法及分析56
• 4.3 結(jié)果與討論56-61
• 4.3.1 預(yù)處理物料得率及化學(xué)成分分析56-57
• 4.3.2 預(yù)處理物料碳水化合物的酶解效率57-58
• 4.3.3 纖維貳糖對(duì)酶解動(dòng)力學(xué)的影響58-59
• 4.3.4 優(yōu)化處理?xiàng)l件后的總糖得率59-61
• 4.4 小結(jié)61-63
• 第5章 亞硫酸鈉法預(yù)處理的正交試驗(yàn)分析63-67
• 5.1 實(shí)驗(yàn)部分63-64
• 5.1.1 原料及藥品63
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)方法及分析63-64
• 5.2 結(jié)果與討論64-65
• 5.3 小結(jié)65-67
• 第6章 結(jié)論67-69
• 論文的創(chuàng)新之處和進(jìn)一步研究工作69-71
• 參考文獻(xiàn)71-81
• 致謝81-83
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文83

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