稻秸秆纤维的化学/生物酶提取工艺及性能探讨

论文摘要

天然纤维素原料具有解决当前世界面临的粮食短缺、能源危机、环境污染等问题的巨大潜力。在煤、石油、天然气的储量日益减少的今天,开发利用农作物秸秆生产新能源已放到国家能源发展战略地位。由于天然植物纤维资源丰富、价格低廉，加之其突出的优点是具有生物可降解性和可再生性，在解决人类所面临的能源、资源和环境问题方面有重要性。开发应用无污染的新型纺织原料，采用对环境友好型的生产工艺，将成为未来纺织业发展的必然趋势。作为一种新型的天然纤维素纤维，稻秸秆纤维的开发利用不仅可以替代化学纤维，同时也符合现在所提倡的可持续发展战略。本课题将生物酶（木聚糖酶、果胶酶）引入到稻秸秆纤维的提取中，结合稻秸秆化学脱胶工艺，以取得性能更优异的稻秸秆纤维。根据稻秸秆的化学组成及物质构成特点，并借鉴其它天然植物纤维的脱胶研究，采用了单独化学脱胶、单独生物酶脱胶和生物酶/化学联合脱胶三种提取工艺。对提取出来的稻秸秆纤维残胶率、长度、细度、断裂强度、失重率、可挠度等进行测试，分析实验结果并优化处理工艺。文中通过单因素分析、正交实验及二次通用旋转回归设计对实验结果进行分析，制定出了较好的脱胶工艺，并对提取的稻秸秆物理化学性能进行了分析比较。经过总结，得出了稻秸秆最优的提取工艺方法，即木聚糖酶/化学联合脱胶工艺。其工艺流程为：试样准备→浸酸→水洗→生物酶处理→热水失活→水洗→碱煮→水洗→酸洗→水洗→抖松→脱水→给油→脱水→烘干。通过回归显著性检验及相互关系图分析了木聚糖酶浓度、处理温度、时间对稻秸秆纤维长度、细度、断裂强度及可挠度的影响，找出了最佳的工艺方案为：木聚糖酶浓度10.93%，作用温度51.7℃，作用时间10.3h。在此优化工艺条件下，稻秸秆纤维的优化性能指标为：长度7.182cm，细度3.456tex，断裂强度3.859cN/dtex，可挠度1.466捻/（tex·m）。本文对联合脱胶工艺下提取的稻秸秆纤维进行物理机械性能测试，将其结果与其它植物纤维进行比较分析。并运用红外和XRD的分析方法对稻秸秆的微观结构及组成进行了测试分析，从红外光谱图可以看出稻秸秆纤维具有与其它纤维素纤维相类似的化学结构。通过XRD衍射结果，分析了稻秸秆纤维的衍射图分峰并计算其面积，得出稻秸秆纤维的结晶度为62.14%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 稻秸秆纤维研究的目的及意义
• 1.1.1 稻秸秆纤维研究的目的
• 1.1.2 稻秸秆纤维研究的意义
• 1.2 稻秸秆纤维应用与研究现状
• 1.2.1 国内的研究现状
• 1.2.2 国外的研究现状
• 1.3 本课题研究的前景及内容
• 1.3.1 研究的前景
• 1.3.2 本课题主要研究内容
• 1.3.3 本课题的创新性
• 2 本课题研究的基本理论
• 2.1 稻秸秆的结构与组成
• 2.1.1 稻秸秆化学成分的定量分析
• 2.1.2 纤维素及其它胶质
• 2.2 酶的基本理论
• 2.2.1 酶的概述
• 2.2.2 酶的特性
• 2.2.3 酶的作用机理
• 2.2.4 酶的影响因素
• 2.3 稻秸秆脱胶方法及基本原理
• 2.3.1 化学脱胶原理
• 2.3.2 生物酶脱胶原理
• 2.3.3 生物酶-化学联合脱胶原理
• 2.4 本章小结
• 3 稻秸秆纤维提取工艺及助剂的研究
• 3.1 稻秸秆的化学成分分析比较
• 3.2 工艺流程设计
• 3.3 助剂的确定
• 3.4 本章小结
• 4 生物酶与化学联合脱胶工艺研究
• 4.1 化学脱胶工艺研究
• 2O₂的确定'>4.1.1 H₂O₂的确定
• 4.1.2 碱量的影响
• 4.1.3 温度的影响
• 4.1.4 时间的影响
• 4.1.5 稻秸秆的化学脱胶总结
• 4.2 生物酶脱胶工艺研究
• 4.2.1 生物酶用量对脱胶效果的影响
• 4.2.2 生物酶作用时间对脱胶效果的影响
• 4.2.3 稻秸秆的生物酶脱胶总结
• 4.3 生物酶/化学联合脱胶工艺研究
• 4.3.1 木聚糖酶正交实验
• 4.3.2 果胶酶正交实验
• 4.4 生物酶/化学联合脱胶总结
• 5 二次通用旋转回归设计
• 5.1 二次通用旋转设计步骤
• 5.2 实验设计
• 5.3 实验结果
• 5.4 求解回归方程及显著性检验
• 5.4.1 求回归系数
• 5.4.2 回归方程的显著性检验
• 5.4.3 回归系数的显著性检验
• 5.4.4 有效回归方程的建立
• 5.5 实验结果分析
• 5.5.1 各因子对纤维长度的影响
• 5.5.2 各因子对纤维细度的影响
• 5.5.3 各因子对纤维断裂强度的影响
• 5.5.4 各因子对纤维可挠度的影响
• 5.6 工艺参数的优化与实验验证
• 5.6.1 优化方法
• 5.6.2 参数优化的数学模型及求解
• 5.6.3 实验验证
• 5.7 二次通用旋转回归设计总结
• 6 稻秸秆纤维的性能与结构研究
• 6.1 物理性能
• 6.1.1 测试内容和方法
• 6.1.2 测试结果和分析
• 6.2 稻秸秆纤维的微观结构
• 6.2.1 测试方法
• 6.2.2 实验结果及分析
• 6.3 小结
• 7 结论
• 7.1 论文结论
• 7.2 论文的不足之处
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢