亚硫酸盐法预处理提高棉秆糖化效率的研究

论文摘要

利用木质纤维素原料生产燃料乙醇,以替代化石能源的消耗,是缓解能源紧张和环境污染的有效途径之一,对社会的可持续发展具有重大意义。但是由于木质纤维素结构复杂、木素与半纤维素对纤维素有包裹作用等原因,使天然的木质纤维素酶水解效率很低,因此必须对原料进行预处理,增加酶对底物的可及度,提高酶水解效率。本论文以棉秆为原料,通过对酶水解转化率、葡萄糖得率、木素溶出率、戊聚糖溶出率与保留率的分析,考察了亚硫酸盐法预处理工艺的处理效果。实验考察了亚硫酸盐法预处理过程中亚硫酸氢钠用量、硫酸用量、液比、温度、保温时间及酶用量对棉秆糖化效果的影响。得到亚硫酸盐法预处理的条件为：亚硫酸氢钠用量8%,硫酸用量0.92%,液比1：4,预处理温度180℃,保温时间20min,纤维素酶用量10FPU/g绝干底物,纤维二糖酶用量3.5CBU/g绝干底物。在此条件下,酶水解转化率为70.10%,葡萄糖得率为60.06%,木素溶出率为51.58%,戊聚糖溶出率为28.83%,戊聚糖保留率为51.23%,预处理液的pH值为2.65。在上述预处理条件下,对棉秆亚硫酸盐法预处理的化学反应历程进行了研究。结果显示：温度达到170℃之前,酶水解转化率、葡萄糖得率升高缓慢,但是随着温度继续升高至180℃,保温20min的过程中明显升高,继续延长保温时间作用不大。在液比1：4、温度180℃、保温20min、纤维素酶用量10FPU/g、纤维二糖酶用量3.5CBU/g的条件下,稀硫酸法预处理在硫酸用量为5.52%时达到较好效果,此时酶水解转化率为42.63%,葡萄糖得率为28.13%；亚硫酸法预处理在亚硫酸用量为7%达到较好效果,此时酶水解转化率为81.25%,葡萄糖得率为66.98%。通过对比可知,稀硫酸法预处理的效果较差,而亚硫酸法预处理液的pH值过低,对设备的防腐蚀要求高,因此亚硫酸盐法预处理的实用性更佳。棉秆不同部位的亚硫酸氢钠预处理效果不同,酶水解从易到难的顺序是：棉秆皮>细枝>全棉秆>主干>棉秆芯。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 前言
• 1.1 生物质能与燃料乙醇
• 1.1.1 生物质能
• 1.1.2 燃料乙醇
• 1.1.3 国内外纤维素乙醇的发展现状
• 1.2 木质纤维素
• 1.2.1 木质纤维素的化学组成
• 1.2.2 木质纤维素的物理结构
• 1.3 预处理技术进展
• 1.3.1 物理法预处理
• 1.3.2 化学法预处理
• 1.3.3 物理化学法预处理
• 1.3.4 生物法预处理
• 1.4 木质纤维素原料的酶水解
• 1.4.1 纤维素酶的组成
• 1.4.2 纤维素酶的分子结构
• 1.4.3 纤维素酶的作用机制
• 1.4.4 纤维素酶水解的影响因素
• 1.5 本论文的研究意义与主要内容
• 1.5.1 论文研究的意义
• 1.5.2 论文研究的主要内容
• 2 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验用酶制剂
• 2.1.3 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 原料分析
• 2.3.2 原料预处理
• 2.3.3 底物酶水解
• 2.3.4 分析方法
• 2.3.5 固相物质扫描电子显微镜
• 2.3.6 固相物质红外光谱分析
• 2.3.7 计算公式
• 3 结果与讨论
• 3.1 亚硫酸盐预处理棉秆影响因素的研究
• 3.1.1 原料成分分析
• 3.1.2 亚硫酸氢钠用量对预处理效果的影响
• 3.1.3 硫酸用量对预处理效果的影响
• 3.1.4 液比对预处理效果的影响
• 3.1.5 预处理温度对预处理效果的影响
• 3.1.6 保温时间对预处理效果的影响
• 3.1.7 纤维素酶用量对底物水解的影响
• 3.1.8 小结
• 3.2 亚硫酸盐预处理化学反应历程研究
• 3.2.1 预处理温度随时间的变化曲线
• 3.2.2 预处理过程中酶水解转化率与葡萄糖得率的变化
• 3.2.3 预处理过程中木素溶出率的变化
• 3.2.4 预处理过程中戊聚糖溶出率与戊聚糖保留率的变化
• 3.2.5 小结
• 3.3 酸法预处理与亚硫酸盐法预处理的比较
• 3.3.1 硫酸法预处理效果
• 3.3.2 亚硫酸法预处理效果
• 3.3.3 亚硫酸盐法与酸法预处理效果的比较
• 3.3.4 亚硫酸盐法与酸法预处理后底物的扫描电镜分析
• 3.3.5 亚硫酸盐法与酸法预处理后底物的红外分析
• 3.3.6 小结
• 3.4 不同部位棉秆的亚硫酸氢钠预处理的差别
• 4 全文总结
• 4.1 本论文的主要结论
• 4.2 本论文的创新之处
• 5 展望
• 6 参考文献
• 7 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 8 致谢