氨水循环爆破法对高粱秸秆预处理效果的研究

【摘要】：利用木质纤维素生产纤维素燃料乙醇，是当前世界生物能源产业的主流技术路线，但天然木质纤维原料具有抵抗微生物和酶降解的特性，所以必须开发有效的预处理技术来克服这一障碍，促进纤维质燃料乙醇经济高效转化。综合氨循环渗透法（ARP）和氨纤维爆破法（AFEX）的优点，本文提出了氨水循环爆破（RAAE）法，利用氨水替代液氨，在流化状态下生物质原料与氨水充分接触、增强传热和传质效果，有利于消除局部过热，减少抑制物的形成；加速木质素的溶解和从物料表面的去除。论文系统研究了预处理温度、预处理时间、含湿量、氨流速和流化时间对预处理后物料组份和酶解率的影响，并通过SEM、XRD和FTIR来探究预处理过程中的物理和化学变化。 随预处理温度升高和时间的延长，纤维素和半纤维的回收率降低，但超过91.48%的纤维素和82.58%的半纤维素被保留，木质素去除率不断增加，18.66%-46.23%的木质素被去除；随预处理温度升高，葡聚糖和木聚糖酶解率逐渐增加，在85℃时，均达到最大分别为87.1%和84.1%，总糖转化率为77.31%；随预处理时间的延长，葡聚糖和木聚糖酶解率不断增加，但从25到35min过程中，增加趋势变缓，总糖转化率仅从72.68%增加到75.17%。因此确定最优预处理温度和时间水平分别为85℃和25min。 含湿量对各组份的影响很小，超过96.36%的纤维素和近90%以上的半纤维素得到很好的保留；当含湿量为60%时葡聚糖酶解率最大为79.89%，随含湿量增加木聚糖酶解率和总糖得率总体上呈下降趋势，综合考虑葡聚糖酶解率和总糖得率确定含湿量最优水平为60%。 随氨流速增加，木质素去除率从23.01%增加到38.86%；葡聚糖酶解率逐渐增加，当氨流速超过3L/min时，葡聚糖酶解率仅从87.68%增加到88.15%，而且此时木聚糖酶解率和总糖得率均达到最大值分别为91.03%和75.05%，综合考虑确定最优氨流速为3L/min. 随流化时间的延长，木质素去除率不断增加，最大值为39.86%；纤维素相对含量从42.69%增加到45.67%；葡聚糖酶解率不断增加，但是当流化时间超过9min时，增加趋势变缓，此时总糖得率达到最大值80.14%，因此确定流化时间最优水平为9min. SEM表明预处理有效地打断了高粱秸秆的交联结构，使更多的纤维暴露出来，增加了纤维素与酶的接触面积；XRD分析表明随预处理温度和时间增加，秸秆的结晶度指数增加，主要是由于去除了较多的无定形组织（木质素和半纤维素）；FTIR表明预处理过程中分子结构的改变。 木质素的去除率与葡聚糖和木聚糖酶解率呈正线性相关，当添加浓度为0.05g/g底质的PEG6000,对葡聚糖酶解率促进作用最大。 【关键词】：高粱秸秆 预处理 氨水循环爆破 酶解
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 中文摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.1.1 开发生物质能源的重要性10
• 1.1.2 国内外燃料乙醇的发展10-11
• 1.2 木质纤维原料的构成11-12
• 1.3 生物质原料预处理的必要性12-13
• 1.4 预处理技术的分类13-18
• 1.4.1 物理预处理法13-15
• 1.4.2 物理化学法15-16
• 1.4.3 化学法16-18
• 1.4.4 生物预处理18
• 1.5 酶解18-20
• 1.5.1 影响酶解的因素及提高酶解率的方法19-20
• 1.6 本课题的研究意义和内容20-22
• 1.6.1 研究意义20-21
• 1.6.2 研究内容21-22
• 第二章 研究方案及实验方法22-32
• 2.1 实验材料22-26
• 2.1.1 原料22
• 2.1.2 化学试剂22
• 2.1.3 实验设备22-23
• 2.1.4 氨水循环爆破预处理工艺23-24
• 2.1.5 试验影响因素的确定24-25
• 2.1.6 实验步骤25-26
• 2.2 物料成分分析26-27
• 2.2.1 实验仪器26-27
• 2.2.2 实验试剂27
• 2.3 预处理前后生物质成分的测定27-28
• 2.4 生物质酶解28-31
• 2.4.1 实验材料28
• 2.4.2 实验仪器28-29
• 2.4.3 实验方法29
• 2.4.4 高效液相色谱分析29-31
• 2.5 生物质微观结构分析31
• 2.6 预处理效果的评价指标31-32
• 第三章 氨水循环爆破预处理效果及分析32-58
• 3.1 预处理温度对预处理效果的影响32-35
• 3.1.1 预处理温度对组分的影响32-34
• 3.1.2 预处理温度对酶解率及糖产量的影响34-35
• 3.2 预处理时间对预处理效果的影响35-39
• 3.2.1 预处理时间对各组分的影响35-37
• 3.2.2 预处理时间对酶解率的影响37-39
• 3.3 含湿量对预处理效果的影响39-42
• 3.3.1 含湿量对组分的影响39-40
• 3.3.2 料含湿量对酶解率的影响40-42
• 3.4 循环流化速度对预处理效果的影响42-45
• 3.4.1 氨水循环流化速度对组分的影响42-43
• 3.4.2 氨水流速对酶解率的影响43-45
• 3.5 流化时间45-48
• 3.5.1 流化时间对组分的影响45-46
• 3.5.2 流化时间对酶解率的影响46-48
• 3.6 预处理前后生物质表面形态及结构特征的变化48-52
• 3.6.1 预处理前后生物质宏观和微观形态变化48-49
• 3.6.2 生物质预处理前后结晶度的变化49-51
• 3.6.3 红外光谱分析51-52
• 3.7 木质素去除率与葡聚糖和木聚糖之间关系52-54
• 3.8 表面活性剂对酶解的促进作用分析54-57
• 3.8.1 材料与试剂55
• 3.8.2 实验方法55
• 3.8.3 表面活性剂的选择55-56
• 3.8.4 表面活性剂浓度的优化56-57
• 3.9 小结57-58
• 第四章 结论58-60
• 参考文献60-66
• 发表论文和参加科研情况说明66-67
• 附录67-72
• 致谢72

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