酸碱两步预处理玉米芯生产生物乙醇的研究

发布时间：2020-06-08 15:51

【摘要】：随着人类文明进程的不断推进和全球经济的快速发展,能源的需求和消耗逐年增长。与化石能源相比,木质纤维素生产生物乙醇具有来源广泛、资源可再生及环境友好等优点,有望替代化石能源,成为新能源发展的重要方向。本文采用玉米芯作为木质纤维素原料,系统研究了木质纤维素原料的预处理、酶水解和糖发酵三个关键技术,并对相关工艺进行了优化,以提高糖及乙醇的转化率,降低生产成本。主要研究内容如下:(1)采用酸、碱两步耦合处理的方法对玉米芯原料进行预处理。首先采用正交试验研究处理温度、时间、酸浓度和固液比对原料半纤维素脱除率的影响,确定了最佳酸处理工艺条件:1.0%H_2SO_4、预处理时间1 h、固液比1:10(w/v)、处理温度为120℃。在此条件下,半纤维素的脱除率为88.6%,处理后物料中纤维素的含量从原料的40.6%升高至63.5%;对酸处理后的物料进行碱处理,最佳预处理条件为温度60℃、时间2 h、NaOH添加量0.075 g/g底物、固液比1:10(w/v),处理后物料中木质素脱除率为88%,纤维素含量增加至74.4%,与原料相比纤维素保留率为94.5%。采用酸、碱两步耦合预处理的方法,可以在较温和的条件下分别溶解半纤维素,脱除木质素,得到富集纤维素的物料,同时可以有效降低稀酸预处理产生的副产物,消除副产物对酶解及发酵带来的消极影响。(2)以酶解效率为指标,探究了酶解液pH、纤维素酶加载量、底物浓度(固含量)对纤维素酶解率的影响,优化了酶解条件,最佳酶解条件为:pH为5.5,酶添加量为15FPU/g,固含量为10%。在此条件下,酸碱耦合两步预处理物料酶水解效率(Substrate Enzymatic Digestibility,SED)达到91%。(3)对两步耦合处理的原料进行分步糖化发酵法(Separate Hydrolysis an Fermentation,SHF)和同步糖化发酵法(Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)的乙醇发酵研究,采用SSF发酵的乙醇产量达到52 g/L,优于SHF的41.2 g/L。对整个工艺流程进行物料衡算,由SSF产出的乙醇产量为17.8 g/100 g干生物质,相当于原料葡聚糖理论乙醇产量的77.2%。(4)研究非离子型表面活性剂(Tween-80和PEG 6000)、阳离子型表面活性剂(CTMAB)、阴离子型表面活性剂(SXP)对酸处理及两步耦合处理物料酶解效果的影响,初步探讨了其作用机理。其中非离子型表面活性剂及阴离子型表面活性剂对两类物料的酶解均有一定的促进作用,且酶解率随表面活性剂浓度的增加而提高。阳离子表面活性剂对两类物料的酶解均有较强的抑制作用。
【图文】：

木质纤维素,禾本科,纤维素,半纤维素

图 1.1 木质纤维素组成和结构[16]Fig. 1.1 Lignocellulose composition and structure不同植物中含有不同的纤维素、半纤维素和木质素，表 1.1 列举几种不同种类、禾本科）的木质纤维素原料中纤维素、半纤维素和木质素的含量[17]。表 1.1 不同木质纤维素生物质中组分含量Table 1.1 Different lignocellulosic biomass componentserial葡萄糖Glucose木糖Xylose阿拉伯糖Arabinose甘露糖Mannose木质素Lignin（硬木） 38.1 18.3 - 1.2 22.8（软木） 46.5 8.7 2.4 11.6 29.5秸秆（禾本科） 35.6 18.8 2.8 0.3 12.3秸秆（禾本科） 38.2 22.1 2.3 0.3 23.3 纤维素

半纤维素,木质素

图 1.3 半纤维素结构Fig. 1.3 ThestructureofHemicellulose1.2.3 木质素木质素广泛存在于植物的细胞壁结构中，主要作用是通过形成交织网来支撑细胞壁。木质素是以苯基丙烷单元结构形成的一类结构复杂的大分子（图 1.4），形成酚类三维网状高分子，充斥于细胞壁结构中的微纤之间[25]。这些苯基丙烷单元通过醚键或者碳碳键，以随机方式、非线性的相互连接方式形成，所以不易水解。但是木质素中含有大量的酯键，在一定的碱性环境下，木质素可以发生水解。不同种类的生物质原料中木质素含量且结构不相同，针叶木中主要是愈创木基丙烷，阔叶木中则是愈创木基和紫丁香基丙烷二者皆有，软木和硬木中木质素的含量通常为 20 40%，禾本科中三中结构单元都含有[26]，通常含量在 10 30%。由于木质素的存在，使得生物乙醇的生产变得困难，，木质素本身不能水解为糖分，
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ223.122;TQ920.6

【参考文献】