离子液体预处理玉米秸秆并转化为燃料乙醇一步工艺研究

【摘要】： 木质纤维素转化为乙醇是可再生能源转化过程中研究的热点。本文研究了能溶解纤维素的不同的离子液体对纤维素酶的活性、稳定性的影响,在此基础上,对比研究了玉米秸秆纤维素被所采用的离子液体预处理和转化为乙醇过程的两步工艺和一步工艺。 通过研究纤维素酶在离子液体[BMIM]Cl、[AMIM]Cl、[MMIM][Me2PO4]、[EMIM][Et2PO4]和[BMIM][Bu2PO4]存在时的活性和稳定性,发现离子液体的存在对纤维素酶的活性有抑制作用,抑制作用大小顺序为:[BMIM]Cl [AMIM]Cl[BMIM][Bu2PO4] [EMIM][Et2PO4] [MMIM][Me2PO4];对维持纤维素酶的稳定性的能力顺序相反为:[MMIM][Me2PO4] [EMIM][Et2PO4] [BMIM][Bu2PO4][AMIM]Cl [BMIM]Cl。 [BMIM]Cl和[AMIM]Cl两种对纤维素溶解效果最好的含氯离子的离子液体对纤维素酶活的抑制作用明显比磷酸酯类离子液体要大很多,对维持纤维素酶的稳定性也更差,它们不适合做一步工艺研究。对于磷酸酯类离子液体,纤维素酶在含有不同浓度的[BMIM][Bu2PO4]的样品中培养3 d后剩余酶活与在缓冲液中比较最大为33.7%,相对活性较小,说明其对纤维素酶活的抑制作用较强,不适合做一步工艺研究;纤维素酶在含有较高浓度(30%)的[MMIM][Me2PO4]或者[EMIM][Et2PO4]的样品中3 d后相对剩余酶活均在30%以下,相对活性较小,也不适合做一步工艺研究;纤维素酶在含有10%的[MMIM][Me2PO4]或[EMIM][Et2PO4]的样品中的初始酶活分别是在缓冲液中的71.9%和63.2%,而3 d后剩余酶活是各自初始酶活的82.1%和75.3%,表明离子液体在此浓度下对纤维素酶活性影响相对较小,所以适合做纤维素酶水解一步工艺研究。因此在一步工艺初探实验中,选择低的磷酸酯类离子液体含量作为研究对象。 通过研究用这3种磷酸酯类离子液体在微波800 W下加热预处理玉米秸秆纤维素并用纤维素酶进行水解的一步工艺和两步工艺,发现在一步工艺中,经[MMIM][Me2PO4]以固液比5%预处理的玉米秸秆纤维素酶水解4 d后的水解率是未经处理的2.42倍,经[EMIM][Et2PO4]以固液比2.5%预处理的玉米秸秆纤维素酶水解率是未经处理的1.95倍,而经[BMIM][Bu2PO4]预处理的玉米秸秆纤维素酶水解率都比未经处理的低,说明[BMIM][Bu2PO4]不适合做一步工艺研究;在两步工艺中,经[MMIM][Me2PO4]、[EMIM][Et2PO4]或[BMIM][Bu2PO4]预处理的玉米秸秆纤维素酶水解最高水解率分别是未经处理的3.08、2.25和1.18倍;用离子液体以固液比5%预处理玉米秸秆时,用[MMIM][Me2PO4]预处理92 s效果最佳,而用[EMIM][Et2PO4]预处理104 s效果最佳。为了使反应经济合理,动力消耗尽可能低,酶水解量也尽可能的高,玉米秸秆粒径选择1 mm较为合理。 存在[MMIM][Me2PO4]或[EMIM][Et2PO4]的葡萄糖发酵溶液,对发酵影响最小的离子液体的含量是[MMIM][Me2PO4]比例为10%,而[EMIM][Et2PO4]则为15%,并且[EMIM][Et2PO4]的比例在15%时,离子液体几乎对酵母发酵无影响。经[MMIM][Me2PO4]以固液比5%预处理并酶水解的玉米秸秆纤维素水解液可直接用来发酵生成乙醇,此时乙醇产量最高。因此[MMIM][Me2PO4]是适合作离子液体预处理并转化玉米秸秆纤维素成燃料乙醇一步工艺路线研究的理想离子液体。而当离子液体的比例增加时,[EMIM][Et2PO4]在发酵过程中影响相对更小,因此,[EMIM][Et2PO4]在一步工艺路线中也有研究的潜力。综合整个实验研究,[MMIM][Me2PO4]是最适合作一步工艺路线研究的离子液体。 【关键词】：纤维素酶 活性 稳定性 预处理 水解 一步工艺 发酵
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 前言10-11
• 第一章 文献综述11-29
• 1.1 生物质11-14
• 1.1.1 生物质能11-12
• 1.1.2 生物质的化学组成和结构12-14
• 1.2 生物质能源发展状况14-16
• 1.3 国内外纤维素燃料乙醇的发展状况16-18
• 1.4 纤维素的预处理工艺18-21
• 1.4.1 酸预处理19-20
• 1.4.2 碱预处理20
• 1.4.3 蒸汽爆破预处理20-21
• 1.4.4 离子液体预处理21
• 1.5 离子液体在生物催化反应中的应用21-26
• 1.5.1 离子液体组成与特点22
• 1.5.2 离子液体应用领域22-23
• 1.5.3 离子液体展望23
• 1.5.4 离子液体在生物催化中的应用23-26
• 1.6 纤维素酶水解工艺26-28
• 1.7 本文的选题及研究内容28-29
• 第二章 纤维素酶在几种离子液体中的活性、稳定性实验29-51
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验材料和设备30-31
• 2.2.1 实验原料与试剂30-31
• 2.2.2 实验仪器设备31
• 2.3 实验方法31-42
• 2.3.1 离子液体的制备与表征31-37
• 2.3.2 DNS 法测定酶活力原理及步骤37-39
• 2.3.3 纤维素酶在离子液体存在下的活性及稳定性实验39-42
• 2.4 结果和讨论42-49
• 2.4.1 纤维素酶在离子液体存在下的活性42-47
• 2.4.2 纤维素酶在离子液体存在下的稳定性47-49
• 2.5 本章小结49-51
• 第三章 磷酸酯类离子液体溶解及纤维素酶水解玉米秸秆纤维素一步工艺研究51-73
• 3.1 引言51-52
• 3.2 实验材料和设备52-53
• 3.2.1 实验原料和试剂52-53
• 3.2.2 实验仪器设备53
• 3.3 实验方法53-56
• 3.3.1 原料组成成分分析53
• 3.3.2 实验中所用溶液的配制方法53-54
• 3.3.3 HPLC 分析54
• 3.3.4 离子液体预处理及酶水解玉米秸秆纤维素两步工艺实验54-55
• 3.3.5 离子液体预处理及酶水解玉米秸秆纤维素一步工艺实验55-56
• 3.3.6 玉米秸秆纤维素酶水解一步工艺优化56
• 3.4 实验的结果和讨论56-71
• 3.4.1 糖含量标准曲线的测定56-58
• 3.4.2 玉米秸秆的化学组成成分58
• 3.4.3 经不同离子液体预处理前后的玉米秸秆纤维素酶水解一步和两步工艺酶水解量的比较58-65
• 3.4.4 经不同离子液体预处理的玉米秸秆纤维素酶水解一步工艺水解率与未经处理的比较65-66
• 3.4.5 经不同离子液体预处理的玉米秸秆纤维素酶水解二步工艺水解率与未经处理的比较66-67
• 3.4.6 离子液体预处理及酶水解玉米秸秆纤维素一步工艺预处理优化67-71
• 3.5 本章小节71-73
• 第四章 离子液体的存在对葡萄糖发酵的影响73-80
• 4.1 引言73
• 4.2 实验材料和设备73-74
• 4.2.1 实验材料73
• 4.2.2 实验设备73-74
• 4.3 实验方法74-79
• 4.3.1 发酵实验74-75
• 4.3.2 分析方法75
• 4.3.3 实验结果与讨论75-79
• 4.4 本章小节79-80
• 第五章 结论与展望80-83
• 5.1 本文的创新点80
• 5.2 主要结论80-82
• 5.3 展望82-83
• 参考文献83-91
• 致谢91

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