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化学预处理用于泡桐制备可发酵还原糖的研究

作　者: 成佳琪
导　师: 陈元彩
学　校: 华南理工大学
专　业: 制浆造纸工程
关键词: 生物乙醇泡桐预处理还原糖动力学
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近些年生物乙醇作为一种主要的石油替代品，其生产原料、工艺以及产率得到了广泛的研究，其中以木质纤维素为主的第二代生物乙醇技术被广泛研究，从木质纤维素原料中生产生物乙醇已经成为了当今能源产品系统中一个重要的趋势，该过程包括两大步骤：水解纤维素转化为还原糖，随后利用酵母或者其他细菌将可发酵糖转化为酒精。当前使用的水解方法有很多，主要包括化学法、机械法、生物法等。生物法相对前二者更加温和，选择性更高。然而，木质纤维素由于其结构的紧密性以及复杂性，需要一个预处理的阶段来充分降解生物质以使酶能充分到达碳水化合物，通过预处理过程移除或降解木质纤维素的部分成分来改善酶水解效率是本实验的研究重点。本实验研究的生物质原料选取了分布于我国西北部的一种阔叶木泡桐作为研究对象，泡桐相比其他木材木质结构较为疏松且综纤维素含量丰富，因此可被视为具有发展潜力的生物质原料之一，而且目前国内外还没有类似的关于泡桐作为燃料乙醇生产原料的研究。预处理过程能够移出半纤维素，降低纤维素结晶度并提高原料的多孔性，提高酶解效率。在这些预处理过程中，酸预处理由于其有效性和低成本性等优点被广泛研究，稀酸预处理能够有效地降解半纤维素成为单糖以及可溶性低聚物，以此来促进纤维素的转化。与其它预处理方法相比较，此法对于半纤维素中的木聚糖转化为木糖的作用较为明显。氢氧化钠预处理因其相对温和的处理条件和对相对较高的总糖得率也受到关注，氢氧化钠预处理的润胀作用能有效提高纤维原料的孔隙度，并作用于木质素破坏纤维原料的结构，以此促进酶水解效率的提高。本论文主要展开了对于稀硫酸预处理、氢氧化钠预处理以及超声辅助氢氧化钠预处理三种预处理方法的研究，根据不同预处理后酶水解过程中产生的还原糖得率考查了反应温度、反应时间、反应浓度和固液比等对木质纤维素的预处理效果的影响，确定不同因素对预处理结果的不同作用；设计统计学实验确定三种预处理方法的最佳工艺条件；对不同预处理过程中原料的结构变化以及预处理液进行分析表征，分别采用紫外-可见分光光度计、高效液相色谱、离子色谱分别对各个阶段的水解液糖分进行分析检测，用扫描电镜、红外分析、X-射线衍射分析对各个过程样品的微观形貌进行分析；对经过三种不同预处理过程的木质纤维素原料进行酶水解动力学实验的研究，建立经过不同预处理方法的泡桐原料的酶解动力学模型并进行分析；最后对三种不同预处理以及酶水解过程中原料的转化利用进行总物料质量衡算分析，得到这三种不同预处理过程中原料生物质的转化利用情况，，从预处理过程质量损失、预处理得率以及总糖得率、水解效率等方面将三种预处理方法进行比较分析。结果表明，稀硫酸预处理过程中对反应结果影响较大的因素是预处理反应时间、反应温度、稀硫酸浓度以及原料目数，而最佳稀硫酸预处理泡桐工艺条件是：反应温度为145.5℃，反应时间39.3min，反应浓度1.14%，该条件下泡桐经预处理以及酶水解后纤维素的转化率能达到89.48%的最大值；超声辅助氢氧化钠预处理过程中对实验结果产生影响的因素有预处理反应温度、反应时间、碱浓、固液比以及原料目数，而最佳氢氧化钠预处理泡桐的工艺条件是：预处理温度80℃，氢氧化钠浓度10%，预处理时间15min，固液比1:10，该条件下泡桐经预处理以及酶水解后纤维素的转化率能达到90.23%的最大值；经过扫描电镜的观察，能明显发现三种预处理方法均对原料造成了不同程度的破坏，并且稀硫酸与氢氧化钠作用方式有很大不同，稀硫酸预处理过程主要作用于半纤维素的降解而氢氧化钠主要起到润胀作用及对木质素的降解上，超声辅助的氢氧化钠预处理能有效强化氢氧化钠对泡桐结构的破坏；结晶度的分析同样证明了三种不同预处理方法在脱木素作用、半纤维素降解等方面对原料木质素发生的改变；原料经不同预处理过程后的红外谱图中官能团的强弱变化或产生消失揭示了在三种不同预处理方法下原料中化学结构的不同改变；通过实验过程中得到的酶解动力学过程中的各个参数建立了三种不同预处理方法的动力学模型，其结果能与实验值能有较好的吻合，说明该模型符合酶水解动力学过程，对未来的进一步研究具有一定的参考价值；最后对三种不同化学预处理过程中原料的转化利用进行的质量守恒分析直观的表现了不同预处理过程中原料的转化与利用，其中稀硫酸预处理过程中固体的损失最大249.1mg/g绝干原料，而超声辅助氢氧化钠在预处理过程中得糖率为41.15%，酶水解效率91.68%，总糖得率为89.0%；可以看出虽然三种不同预处理方法的结果都达到了理想状态，但超声辅助氢氧化钠预处理无论是从预处理过程、酶水解过程以及总体得糖率和固形物的损失等方面，都比单纯的酸碱预处理效果更好一些。通过以上结论我们得出了泡桐作为生物质原料是具有研究价值与意义的，且稀硫酸预处理泡桐、氢氧化钠预处理以及超声辅助的氢氧化钠预处理过程这三种预处理工艺可以破坏纤维原料的紧密结构，将半纤维素和木质素除去，利于酶水解的发生，进而得到好的预处理效果其中超声辅助的氢氧化钠预处理在三者中最优。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-26
  1.1 研究背景  13-17
    1.1.1 生物乙醇发展历史  13-14
    1.1.2 生物乙醇国内外研究现状  14
    1.1.3 生物乙醇的优点  14-15
    1.1.4 生物乙醇的生产工艺发展  15-17
  1.2 木质纤维素原料  17-20
    1.2.1 木质纤维素原料的化学组成  17-19
    1.2.2 泡桐的选择  19-20
  1.3 预处理技术研究进展  20-24
    1.3.1 物理法  21-22
    1.3.2 化学法  22-23
    1.3.3 物理化学法  23
    1.3.4 生物法  23-24
    1.3.5 新型预处理方法  24
  1.4 论文研究内容及意义  24-26
    1.4.1 研究内容  24
    1.4.2 研究意义  24-26
第二章稀酸预处理泡桐实验的研究  26-54
  2.1 实验材料与仪器  26-27
    2.1.1 实验原料及化学试剂  26-27
    2.1.2 实验装置与仪器  27
  2.2 实验方法  27-35
    2.2.1 泡桐原料分析方法  27-30
    2.2.2 泡桐的稀硫酸预处理  30
    2.2.3 泡桐预处理后的酶水解  30-31
    2.2.4 DNS 法测定水解液中的总还原糖  31-32
    2.2.5 离子色谱测定方法  32-33
    2.2.6 预处理液中抑制物含量的测定  33-35
    2.2.7 纤维结构的表征方法  35
  2.3 结果与讨论  35-52
    2.3.1 原料成分分析结果  35-36
    2.3.2 稀酸预处理泡桐实验的影响因素  36-39
    2.3.3 稀酸预处理泡桐实验中产生的各种单糖及含量分析  39-41
    2.3.4 稀酸预处理泡桐抑制物分析  41-42
    2.3.5 稀酸预处理泡桐实验的工艺优化-响应曲面实验  42-48
    2.3.6 稀酸预处理泡桐 SEM 图  48-49
    2.3.7 红外光图谱分析  49-51
    2.3.8 X-射线衍射分析  51-52
  2.4 泡桐稀酸预处理实验结果与桉木稀硫酸预处理实验结果的比较  52-53
  2.5 本章小结  53-54
第三章氢氧化钠、超声/氢氧化钠预处理泡桐实验的研究  54-67
  3.1 实验材料与仪器  54
  3.2 实验方法  54-55
    3.2.1 泡桐的氢氧化钠预处理  54
    3.2.2 泡桐的超声/氢氧化钠预处理  54
    3.2.3 泡桐预处理后的酶水解  54-55
    3.2.4 DNS 法测定水解液中的总还原糖  55
    3.2.5 离子色谱测定方法  55
    3.2.6 纤维结构的表征方法  55
  3.3 结果与讨论  55-64
    3.3.1 超声/氢氧化钠预处理的影响因素  55-58
    3.3.2 氢氧化钠、超声氢氧化钠预处理实验产生的单糖种类分析  58
    3.3.3 采用正交试验优化超声/氢氧化钠预处理工艺过程  58-60
    3.3.4 超声/氢氧化钠预处理过程红外图谱分析以及酸碱对比分析  60-62
    3.3.5 X-射线衍射分析-酸碱以及超声辅助碱实验对比分析  62-63
    3.3.6 扫描电镜图分析-酸碱以及超声辅助碱实验对比分析  63-64
  3.4 泡桐碱预处理实验结果与桉木弱碱预处理实验结果的比较  64-65
  3.5 本章小结  65-67
第四章超声/化学预处理泡桐的酶解动力学研究、实验过程中质量守恒分析  67-79
  4.1 实验材料与仪器  67
  4.2 实验方法  67
  4.3 动力学模型的建立  67-76
    4.3.1 纤维素酶解动力学假设  68
    4.3.2 模型参数的确定  68-76
    4.3.3 模型验证  76
  4.4 质量守恒分析  76-78
  4.5 本章小结  78-79
结论  79-81
参考文献  81-86
攻读硕士学位期间发表的学术论文  86-87
致谢  87-88
附件  88

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