玉米秸秆的不同预处理及其糖化发酵研究

【摘要】：纤维素乙醇因为木质纤维素原料可再生且来源丰富,被认为是一种极具发展潜力的新型可再生能源。木质纤维素化学结构致密,需经原料预处理提高纤维的酶解性能。此外,在预处理时还需要考虑除纤维素以外其它生物质组分的利用,以提高生物质原料的利用率,实现生物炼制。本文从全糖利用的角度出发,对玉米秸秆的预处理及其糖化发酵进行了研究。首先,采用稀硫酸预处理工艺,研究了不同稀酸预处理条件(酸用量、预处理温度、固液比)对玉米秸秆半纤维素组分的脱除和回收以及对纤维素酶解性能的影响。得出最佳预处理条件为硫酸浓度为0.8%,固液比1：10,温度150℃,处理50 min。在此预处理条件下,半纤维素含量仅为3.0%,预处理液中木糖的得率为93.0%,预处理后固体物料在酶解72 h时的纤维素酶解转化率达到71.6%。稀酸预处理后的原料中残有大量的木质素,会影响纤维素酶水解效率,增加纤维素酶用量。论文进一步研究了利用碱性亚硫酸钠法对稀酸预处理后的玉米秸秆进行处理,以脱除原料中的木质素,提高纤维素酶解性能。通过单因素实验,探讨了亚硫酸钠用量、氢氧化钠用量、温度、固液比和化学助剂对木质素脱除,纤维素酶解转化率和乙醇发酵的影响。确定了碱性亚硫酸钠处理的最优条件：亚硫酸钠用量为15%,氢氧化钠用量为5%,温度140℃,固液比l：6,时间l h,此时木质素脱除率达到85.0%,纤维素酶解率为85.4%。添加化学助剂蒽醌-2-苯磺酸钠盐和十二烷基苯磺酸钠可以保护碳水化合物,但不能促进脱木质素。通过补料发酵,两步处理后的秸秆底物浓度达到18.1%时,乙醇浓度达到48.5 g/L,纤维素转化为乙醇的转化率也达到理论值的77.2%,转化率比稀酸预处理后提高了约16.8%。除了将半纤维素组分进行分离并利用以外,还可以将半纤维素和纤维素共同糖化发酵生产乙醇,基于此思路,论文采用碱性亚铵法预处理玉米秸秆脱除木质素,保留原料中的纤维素和半纤维素组分,然后经糖化共发酵生产乙醇。研究显示,当亚硫酸铵用量为10%,碳酸铵用量为3%,温度170℃,固液比1：6,时间1 h时,秸秆中木质素含量仅为8.7%,纤维素酶解转化率为86.6%,半纤维素酶解转化率接近100%。酿酒酵母XH7菌株可以利用葡萄糖和木糖共发酵生产乙醇,乙醇浓度可达50 g/L,全糖转化率为64.7%。优化XH7菌株的发酵条件,得到最适发酵温度为36℃,最适加酶量为15 FPU/g底物。 【关键词】：玉米秸秆 预处理 生物乙醇 半纤维素 纤维素 脱木质素 共发酵
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ223.122;TQ914.3
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第一章 研究背景10-24
• 1.1 燃料乙醇的发展概况10-13
• 1.2 纤维素乙醇生产工艺简介13-22
• 1.2.1 木质纤维素的组成13-14
• 1.2.2 纤维素乙醇生产工艺14-21
• 1.2.3 目前纤维素乙醇产业化过程中存在的主要问题21-22
• 1.3 本论文的主要研究内容22-24
• 第二章 稀酸法预处理玉米秸秆脱除半纤维素和提高纤维素酶解性能研究24-38
• 2.1 材料和方法24-30
• 2.1.1 材料24
• 2.1.2 主要试剂24-25
• 2.1.3 主要实验器材25
• 2.1.4 实验方法25-26
• 2.1.5 分析方法26-30
• 2.2 结果与讨论30-36
• 2.2.1 稀硫酸预处理条件对原料中半纤维素脱除和回收的影响30-34
• 2.2.2 稀硫酸预处理条件对纤维素酶解性能的影响34-36
• 2.3 小结36-38
• 第三章 稀酸处理后玉米秸秆的碱性亚硫酸钠处理和乙醇发酵的研究38-50
• 3.1 材料和方法38-40
• 3.1.1 材料38
• 3.1.2 主要试剂38
• 3.1.3 主要实验器材38
• 3.1.4 实验方法38-39
• 3.1.5 分析方法39-40
• 3.2 结果与讨论40-48
• 3.2.1 亚硫酸钠预处理条件的优化研究40-44
• 3.2.2 碱性亚硫酸钠处理对纤维素酶解的影响44-45
• 3.2.3 稀酸-碱性亚硫酸钠法预处理后玉米秸秆的乙醇发酵研究45-48
• 3.3 小结48-50
• 第四章 亚铵法预处理对玉米秸秆纤维素酶解性能影响和全糖发酵乙醇研究50-62
• 4.1 材料和方法50-52
• 4.1.1 材料50
• 4.1.2 主要试剂50
• 4.1.3 主要实验器材50
• 4.1.4 实验方法50-51
• 4.1.5 分析方法51-52
• 4.2 结果与讨论52-61
• 4.2.1 亚铵法预处理条件优化52-54
• 4.2.2 不同条件亚铵法预处理对纤维素酶解性能的影响54-56
• 4.2.3 半同步糖化共发酵生产乙醇的研究56-61
• 4.3 小结61-62
• 全文总结62-64
• 参考文献64-72
• 攻读学位期间发表的论文72-74
• 致谢74-75
• 附件75

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