玉米秸秆半纤维素汽爆分离以及制备糖醛的研究

【摘要】： 我国是农业大国,农作物秸秆年产量超过6亿吨,其中玉米秸秆占很大部分,但利用率较低,仅有少部分用作饲料或作为造纸和生产化工产品的原料,大量秸秆被用于薪柴或腐烂废弃,既浪费了资源,又污染了大气。玉米秸秆结构复杂,纤维素、半纤维素不但被木质素包裹,而且半纤维素部分共价和木质素结合,纤维素具有高度有序晶体结构,使得玉米秸秆难以利用。必须经过预处理,使得纤维素、半纤维素、木质素分离开,切断它们的氢键破坏晶体结构,降低聚合度。玉米秸秆中的半纤维素虽然相对于糠醛生产的传统原料玉米芯等含量较低,但是具有价格低廉,来源广泛等不可比拟的优点。随着玉米芯等传统原料的价格不断上涨,怎样环保有效的分离且利用玉米秸秆中的半纤维素成了一个需要解决的问题。 针对目前糠醛生产中玉米芯原料有限,用酸量大及糠醛渣难以综合利用等问题,本文以玉米秸秆为原料,探索了汽爆水提液制备糠醛新工艺。首先,使用蒸汽爆破技术预处理玉米秸秆,使得其中大部分的半纤维素降解分离。汽爆完毕水提处理,以提取出汽爆过程中玉米秸秆中的半纤维素降解成的木糖,再利用水提液中的木糖在高温高压条件下进一步转化为糠醛,从汽爆条件的优化、水提条件优化、制备糠醛条件的优化以及反应中焦化的现象等方面进行了研究,为开发一种新的糠醛生产工艺奠定了基础。 首先对汽爆条件和水提条件进行了考察。在汽爆压力1.4MPa下,维压时间4min,汽爆效果较好。这个条件下汽爆物料组织结构松散,且水提液中木糖的溶出率最高可达3.25%。玉米秸秆中的几种组份有较大变化,其中半纤维素有大幅下降,从最初的23.7%最多下降至5.55%。对水提条件也进行了考察,80℃热水水提,1:6的固液比下水提效果较好,水提时间对水提液中木糖浓度影响不大。考虑到下一步的利用,我们采用80℃热水水提,1:4的固液比下处理15分钟,水提液呈酸性,且含有大量糖分和酸类。 考察了反应温度、盐酸浓度和反应时间对糠醛收率的影响并对焦化问题进行了分析。实验结果表明:汽爆玉米秸秆水提液制糠醛的最优条件是反应温度180℃,2%盐酸添加量,反应时间2h;进一步通过红外光谱分析了汽爆玉米秸秆水提液制糠醛过程中焦化现象产生的原因。本文的优势在于玉米秸秆原料价格低廉,来源广泛,糠醛收率高(76.6%),便于物料的综合利用。 【关键词】：糠醛 蒸汽爆破 玉米秸秆 戊糖 木糖
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TQ353;TQ251.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 生物炼制12-16
• 1.1.1 生物炼制的概念12
• 1.1.2 生物炼制的研究及发展情况12-15
• 1.1.3 农业废弃物生物炼制的发展前景15-16
• 1.2 蒸汽爆破技术概述16-18
• 1.2.1 蒸汽爆破技术原理16-17
• 1.2.2 蒸汽爆破技术在秸秆中的应用进展和发展趋势17-18
• 1.3 糠醛的研究进展18-27
• 1.3.1 糠醛的简介及应用18-20
• 1.3.2 制备糠醛的原料20-24
• 1.3.3 糠醛的制备方法24-25
• 1.3.4 糠醛精制工艺的进展25-26
• 1.3.5 糠醛渣的利用26-27
• 1.4 本文研究目的以及研究思路27-30
• 第二章 玉米秸秆半纤维素汽爆分离的研究30-40
• 2.1 引言30-31
• 2.2 材料与方法31-34
• 2.2.1 实验材料31-32
• 2.2.2 实验设备32-33
• 2.2.3 试验方法33-34
• 2.3 试验结果及讨论34-38
• 2.3.1 木糖、葡萄糖、甲酸、乙酸以及糠醛的标准曲线34-35
• 2.3.2 汽爆压力对水提液中木糖溶出率的影响35-36
• 2.3.3 汽爆维压时间对水提液中木糖溶出率的影响36-37
• 2.3.4 汽爆后玉米秸秆组分的测定37
• 2.3.5 不同汽爆预处理条件下玉米秸秆酶解效果的变化37-38
• 2.4 小结38-40
• 第三章 水提汽爆分离半纤维素条件的优化40-46
• 3.1 引言40
• 3.2 实验材料及方法40
• 3.2.1 实验材料40
• 3.2.2 实验设备40
• 3.2.3 实验方法40
• 3.3 实验结果及讨论40-44
• 3.3.1 温度对水提液中木糖溶出率的影响41
• 3.3.2 不同固液比下水提液中木糖溶出率的变化41-42
• 3.3.3 时间对木糖溶出率的影响42-43
• 3.3.4 汽爆玉米秸秆水提液的浓缩制备43-44
• 3.4 小结44-46
• 第四章 水提汽爆分离半纤维素制备糠醛条件的优化及焦化现象分析46-56
• 4.1 引言46
• 4.2 实验材料、方法、设备46-49
• 4.2.1 实验材料46-47
• 4.2.2 实验方法47-48
• 4.2.3 实验设备48-49
• 4.3 结果与讨论49-53
• 4.3.1 反应条件对糠醛得率的影响49-51
• 4.3.2 焦化现象的分析51-53
• 4.4 小结53-56
• 第五章 研究工作总结与建议56-58
• 5.1 研究工作总结56
• 5.2 创新点和理论贡献56-57
• 5.3 下一步工作计划57-58
• 参考文献58-62
• 附录62-76
• 附录1 范氏法测定组分62-65
• 附录2 总糖含量测定65-66
• 附录3 还原糖的测定-3，5-二硝基水杨酸66-68
• 附录4 葡萄糖标准曲线的测定68-70
• 附录5 木糖标准曲线的测定70-71
• 附录6 糠醛标准曲线的测定71-72
• 附录7 乙酸标准曲线的测定72-73
• 附录8 甲酸标准曲线的测定73-74
• 附录9 文中图所对应的参数74-76
• 致谢76-78
• 研究成果及发表的学术论文78-80
• 作者及导师简介80-81
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书81-82

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