木薯秸秆两步水热自催化及强化预处理工艺研究

发布时间：2020-03-28 08:43

【摘要】：木薯秸秆中的纤维素和半纤维素含量高达40%以上,是一种优良的木质纤维素原料,但目前多焚烧或丢弃,造成了资源浪费和环境污染。鉴于近年来,C-5和C-6糖共代谢技术的发展,本文首次提出木薯秸秆两步水热自催化及强化预处理工艺,实现木薯秸秆原料资源化利用。首先针对木薯秸秆原料中的半纤维素和纤维素组分在亚临界条件下的水热反应特点,以最大限度地提高C-5糖和C-6糖收率为目标,开展了亚临界条件下木薯秸秆两步水热预处理实验研究。研究了不同处理条件对C-5糖(木糖+阿拉伯糖)、C-6糖(葡萄糖)、副产物乙酸、乳酸、甲酸以及糠醛、5-HMF等生成规律及酶解效果的影响,确定了木薯秸秆两步水热预处理适宜的工艺条件为:第一步为在温度180°C下反应60 min,此时预处理液中C-5糖收率为68.49%,酶解液中C-6糖收率为45.62%;第二步为在温度200°C下反应20 min,预处理后的固体通过酶解实验获得的C-6糖收率为81.02%。在木薯秸秆两步水热预处理工艺的基础上,首次提出了将木薯秸秆原料预处理液部分回用富集自产酸的两步自催化工艺,实现对原料的高效利用。实验表明:第一步自催化适宜的工艺条件为:预处理液酸浓度0.93 wt%、pH值3.90、反应温度180°C、反应时间60 min时,C-5糖单程收率为81.12%。通过第二步自催化研究发现,第二步水热预处理条件为:反应温度200°C、反应时间20min,预处理后固体在酶解反应中C-6糖收率达到88.60%;并且酸度对第二步预处理效果的影响不大。本文开展了多种有机酸对木薯秸秆水解过程影响的研究,通过在同一酸强度下,用不同种类有机酸对半纤维素的降解效果的研究,以及对于乙酸、乳酸、甲酸等三种有机酸混合比例的优化,建立了中心响应曲面的多因子模型,获得了多种有机酸混合物水解木薯秸秆的最佳工艺条件:反应温度180°C,反应时间60 min,1.03 wt%乙酸,0.83 wt%乳酸,1.13 wt%甲酸,模型预测的C-5糖收率为90.12%,实验验证C-5糖收率为89.06%,预测精度达98.82%。以此为基础,建立了三种有机酸催化木薯秸秆半纤维素水解过程动力学模型,比较了不同反应温度下的反应速率常数和活化能,得到多种有机酸催化木薯秸秆水解生成C-5糖的适宜反应温度在160~180°C范围内。
【图文】：

示意图,木薯,乙醇生产,质量平衡

图 1-1. 基于质量平衡的木薯乙醇生产流程示意图[21].1-1. Schematic diagram of cassava-based ethanol production process based on ance[21]2 木薯秸秆及应用2.1 木薯秸秆木薯在良好的环境条件下具有较高的生物产量，，能够适应生物和非生的环境，例如贫瘠的土壤。木薯属于大戟科植物，株高 2~5 m，其秸秆约占木薯产量的 70~80 %[22]。木薯秸杆皮厚而软，中心髓部呈海绵状，高水分，所以很难晒干后作为燃料使用。目前木薯秸秆的利用率(包括种料、饲料、肥料等)只有 10~20 %[23-24]。2.2 木薯秸秆的应用前景

流程图,预处理,实验装置,流程图

图 2-1 预处理实验装置流程图Fig. 2-1 Experimental apparatus for the pretreatment.2 木薯秸秆两步自催化实验预处理后的液体中通常含有高浓度的副产物有机酸，将预处理液直接木薯秸秆以加强水热预处理工艺。木薯秸秆自催化强化预处理实验装-1 所示。木薯秸秆两步自催化预处理实验操作步骤如下：第一步亚临界水热自催化强化实验过程：(a) 在上述第一步木薯秸秆自催化处理实验的最佳条件下进行。将得到液直接进行循环回用，保持固液质量比为 1:20。(b) 该反应器的压力保持在 2 MPa 氮气和磁力搅拌器转速在 300 rpm (c) 用布氏漏斗将冷却后的样品快速分离成固体和液体组分。液相成分色谱进行测定分析。固体干燥后保存在 25 °C 和相对湿度 60 %的储备后续实验。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O636.11

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