纤维素稀酸水解糖化工艺的研究

论文摘要

木质纤维素类是地球上最丰富的可再生资源,开发纤维素制备生物燃料技术是解决当前全球能源危机的重要方法之一,具有广泛的应用前景。本文在综述了纤维素利用技术的基础上,研究了以麦秸杆为原料,金属盐离子助催化稀酸水解糖化木质纤维素的工艺。本文首先在稀酸条件下对麦杆纤维的水解过程进行了研究。考察了酸浓度,反应时间和反应温度等因素对纤维素水解转化率和还原糖得率的影响。基于此基础,设计了正交试验研究Fe2+、Na+、Ni2+Mg2+四种硫酸盐金属离子助催化剂对还原糖的得率的影响。试验考察的四种金属盐离子对纤维素水解糖化过程都起到了促进作用,金属离子助催化作用依次为：Fe2+>Na+>Ni2+>Mg2+,其中以Fe2+的助催化效果最佳。得到了纤维素稀酸水解糖化优化的工艺是：硫酸浓度为1%,Fe2+浓度为0.0375mol／L,反应温度为180℃,反应时间为90min,纤维素水解还原糖得率达到73.05%,纤维素转化率为85.79%。通过单因素实验和正交试验研究了麦秆纤维素稀酸水解液的脱色工艺,四种考察因素对脱色效果影响程度的顺序依次为活性炭用量>温度>pH>脱色时间。秸秆纤维素稀酸水解液脱色优化的工艺是：温度为35℃,初始pH为4.0,时间为60min,活性炭用量：水解液（g／L）=1：2。在该条件下,活性炭脱色率为88.11%,还原糖损失率为48.54%,糠醛去除率为74.91%,酚类化合物全部去除。纤维素稀酸水解得到的还原糖可继续降解成小分子物质,通过动力学分析,水解过程是一个连串反应,其动力学方程可用假一级均相反应模型表示：用该模型的计算还原糖的产率与实验数据吻合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物质及资源概括
• 1.2.1 生物质能源的定义
• 1.2.2 生物质能源的利用及开发前景
• 1.3 木质纤维素质及结构组成
• 1.4 木质纤维素糖化工艺
• 1.4.1 酶法水解工艺
• 1.4.2 浓酸水解工艺
• 1.4.3 稀酸水解工艺
• 1.4.3.1 无酸水解
• 1.4.3.2 超低酸水解
• 1.4.3.3 稀酸水解
• 1.4.3.4 影响稀酸水解的因素
• 1.4.3.5 国内外稀酸水解的研究进展
• 1.5 金属离子对纤维素水解的影响
• 1.6 水解液的脱毒处理
• 1.6.1 水解过程的副产物
• 1.6.2 副产物的脱除方法
• 1.7 本课题研究的内容
• 第二章 金属盐离子助催化纤维素稀酸水解糖化工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 主要材料及试剂
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 实验装置及实验方法
• 2.3.1 实验装置图
• 2.3.2 纤维素糖化
• 2.4 纤维素稀酸条件下的初探
• 2.4.1 最佳酸浓度的确定
• 2.4.2 最佳反应时间的选择
• 2.4.3 最佳反应温度的选择
• 2.5 金属盐离子助催化稀酸水解纤维素糖化工艺的研究
• 2+对纤维素水解的影响'>2.5.1 Fe²⁺对纤维素水解的影响
• 2+对纤维素水解的正交试验'>2.5.1.1 Fe²⁺对纤维素水解的正交试验
• 2+浓度对纤维素水解的影响'>2.5.1.2 Fe²⁺浓度对纤维素水解的影响
• 2+对纤维素水解的影响'>2.5.2 Ni²⁺对纤维素水解的影响
• +对纤维素水解的影响'>2.5.3 Na⁺对纤维素水解的影响
• 2+对纤维素水解的影响'>2.5.4 Mg²⁺对纤维素水解的影响
• 2.5.5 各因素影响分析
• 2.5.5.1 酸浓度影响分析
• 2.5.5.2 助催化剂影响分析
• 2.5.5.3 反应温度影响分析
• 2.5.5.4 反应时间影响分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 纤维素水解液的脱色脱毒处理
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 主要材料与试剂
• 3.2.2 仪器设备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 原料及固体残渣成分测定
• 3.3.2 水解产物的测定
• 3.3.2.1 DNS法测定还原糖
• 3.3.2.2 糠醛及酚类化合物的测定
• 3.3.3 水解液的脱色脱毒处理过程研究
• 3.3.3.1 过量碱预处理
• 3.3.3.2 活性炭脱色
• 3.3.3.3 水解液最大吸收波长的确定
• 3.3.3.4 单因素实验
• 3.3.3.5 脱色最佳工艺正交试验条件
• 3.4 DNS法测定还原糖含量条件的优化
• 3.4.1 测定波长的选择
• 3.4.2 沸水浴加热时间对测定结果的影响
• 3.4.3 DNS试剂用量及放置时间的确定
• 3.4.4 葡萄糖标准曲线
• 3.4.5 精密度实验
• 3.5 水解液脱毒脱色工艺的研究
• 3.5.1 过量碱中和法
• 3.5.2 活性炭脱色的单因素实验
• 3.5.2.1 水解液最大吸收波长的确定
• 3.5.2.2 活性炭添加量对脱色效果的影响
• 3.5.2.3 脱色时间对脱色效果的影响
• 3.5.2.4 pH值对脱色效果的影响
• 3.5.2.5 脱色温度对脱色效果的影响
• 3.5.3 脱色最佳工艺的正交试验
• 3.6 本章小结
• 第四章 纤维素稀酸水解的动力学
• 4.1 引言
• 4.2 稀酸水解动力学模型简述
• 4.2.1 强度因子模型
• 4.2.2 假均相一级反应模型
• 4.3 模型的建立
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 本文的重要研究成果
• 5.2 本文的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果