玉米秸秆膨化预处理与酶解产糖优化研究

【摘要】：利用农作物秸秆制取燃料乙醇是清洁能源研究领域中的一个新的热点,但是由于组成秸秆的纤维素、半纤维素和木质素三种组分结构致密,又由于纤维素高的聚合度,致使农作物秸秆转化为可发酵为乙醇的还原糖的难度增大,因此在利用秸秆时,必须对秸秆进行预处理。 本文选用玉米秸秆为试验原料,采用膨化处理方式对玉米秸秆进行预处理,对比粉碎处理玉米秸秆,扫描电镜观察其纤维素束表面,呈现出较多的沟壑,细纤维化现象明显;XRD分析膨化处理后结晶度降低了14.57%;红外光谱分析各成分与各基团的特征峰发生了一定的变化,半纤维素特征吸收峰发生明显变化,纤维素分子结构受到破坏,通过结构分析,说明膨化处理将有助于增大纤维素酶的可及性。 对纤维素酶发酵工艺进行了初探研究,首先进行了LNSJ-1菌的培养,然后进行固态发酵制取纤维素酶。在单因子试验的基础上,采用旋转中心组合设计对影响固态发酵的三个因素进行了优化研究,以纤维素酶酶活为响应值,通过响应曲面法对发酵工艺进行了优化,得出优化后的最佳发酵条件为:pH5.3、固液比1:2、接种量22.7%,在此工艺条件下,所制得的纤维素酶粉末酶活为486U/g。 对膨化后玉米秸秆进行了酶解产还原糖反应,在单因子试验的基础上,采用响应曲面法对影响酶解的五个因子进行了优化研究,以还原糖产量为响应值,通过响应曲面法对酶解工艺进行优化,得出优化的最佳酶解条件为:温度49℃、pH4.6、酶浓度36.5U/g、底物浓度107g/L、反应时间22.6h,在此工艺条件下,还原糖产量为0.285g/(g秸秆)。 离子色谱分析发酵后糖液,1g玉米秸秆经纤维素酶酶解后产葡萄糖量约为0.17g,占总产糖量的59.6%,产木糖量约为0.047g,占总糖量的25%。通过测量膨化玉米秸秆酶解前后各组分百分比含量,得出膨化玉米秸秆经酶解后纤维素的转化率约为59.15%,而半纤维素的转化率约为29.97%,木质素基本没有被利用。 【关键词】：玉米秸秆 膨化 纤维素酶 酶解 响应曲面
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-28
• 1.1 农作物秸秆生产生物质能的意义13
• 1.2 农作物秸秆资源分析13
• 1.3 秸秆能源化主要利用方式13-17
• 1.3.1 直接燃烧技术13-14
• 1.3.2 秸秆发酵制沼气技术14-15
• 1.3.3 秸秆固化成型技术15-16
• 1.3.4 秸秆气化技术16
• 1.3.5 秸秆发酵制乙醇技术16-17
• 1.4 农作物秸秆的性质17-21
• 1.4.1 玉米秸秆组成及各组分形态18-21
• 1.4.2 玉米秸秆制取燃料乙醇存在的问题21
• 1.5 秸秆制取燃料乙醇预处理工艺21-25
• 1.5.1 预处理方法中的物理法21-22
• 1.5.2 预处理方法中的化学法22-24
• 1.5.3 预处理方法中的生物法24
• 1.5.4 秸秆预处理其他方法24-25
• 1.6 纤维素酶酶解秸秆制取还原糖25-27
• 1.6.1 纤维素酶组分及作用机理25-26
• 1.6.2 纤维素酶酶解的影响因素26-27
• 1.7 本课题的研究目的及内容27-28
• 1.7.1 本课题的研究目的27
• 1.7.2 本课题的研究内容27-28
• 第2章 玉米秸秆预处理研究28-38
• 2.1 试验原料及仪器28-29
• 2.1.1 试验原料28
• 2.1.2 试验仪器及设备28
• 2.1.3 秸秆膨化机工作原理28-29
• 2.2 玉米秸秆预处理29-30
• 2.2.1 玉米秸秆粉碎预处理29-30
• 2.2.2 玉米秸秆膨化预处理30
• 2.3 玉米秸秆不同处理结构成分分析30-37
• 2.3.1 扫描电镜分析（SEM）30-32
• 2.3.2 X 射线衍射分析（XRD）32-34
• 2.3.3 红外光谱分析（FTIR）34-36
• 2.3.4 不同处理玉米秸秆成分分析36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 纤维素酶发酵工艺的试验研究38-48
• 3.1 试验原料及仪器38
• 3.1.1 试验原料38
• 3.1.2 试验仪器及设备38
• 3.2 培养基的制备38-39
• 3.2.1 葡萄糖-马铃薯琼脂培养基（PDA）的制备38
• 3.2.2 固体发酵培养基的制备38-39
• 3.3 试验步骤39
• 3.3.1 LNSJ-1 菌种的培养39
• 3.3.2 LNSJ-1 菌种的固态发酵和纤维素酶制剂的制备39
• 3.4 DNS 法测定酶活性39
• 3.4.1 DNS 法测定酶活性的原理39
• 3.4.2 葡萄糖标准曲线的绘制39
• 3.4.3 CMC 酶活性的测定39
• 3.5 各因素对固态发酵的影响39-42
• 3.5.1 初始pH 对固态发酵的影响39-40
• 3.5.2 固液比对固态发酵的影响40-41
• 3.5.3 接种量对固态发酵的影响41-42
• 3.6 固态发酵产纤维素酶工艺条件优化研究42-47
• 3.6.1 多因子试验设计42-43
• 3.6.2 建立回归方程43-44
• 3.6.3 结果分析44-45
• 3.6.4 响应曲面法优化45-46
• 3.6.5 试验验证46-47
• 3.7 本章小结47-48
• 第4章 玉米秸秆酶解产还原糖工艺优化研究48-67
• 4.1 试验原料及仪器48
• 4.1.1 试验原料48
• 4.1.2 试验仪器及设备48
• 4.2 还原糖测定方法48-49
• 4.2.1 还原糖测定原理48-49
• 4.2.2 标准曲线的绘制49
• 4.2.3 样品中还原糖含量的测定49
• 4.3 玉米秸秆酶解产还原糖单因子试验研究49-54
• 4.3.1 温度对酶解试验的影响50
• 4.3.2 pH 对酶解试验的影响50-51
• 4.3.3 纤维素酶浓度对酶解试验的影响51-52
• 4.3.4 底物浓度对酶解试验的影响52-53
• 4.3.5 反应时间对酶解试验的影响53-54
• 4.4 玉米秸秆酶解产还原糖多因子试验研究54-63
• 4.4.1 多因子试验设计54-56
• 4.4.2 建立回归方程56-57
• 4.4.3 结果分析57-58
• 4.4.4 单因子对还原糖产量影响效应分析58-59
• 4.4.5 响应曲面法优化分析59-62
• 4.4.6 试验验证62-63
• 4.5 玉米秸秆酶解特性分析63-65
• 4.5.1 离子色谱分析酶解所得还原糖63-64
• 4.5.2 不同处理玉米秸秆酶解后扫描电镜分析64-65
• 4.5.3 膨化玉米秸秆酶解前后各组分百分比含量变化65
• 4.6 本章小结65-67
• 结论67-69
• 附录69-73
• 参考文献73-76
• 致谢76-77
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文77

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