玉米秸秆生物精炼生产生物燃料乙醇及其关键问题研究
发布时间：2021-08-24 11:55
我国是一个农业大国,每年产生秸秆类物质超过8亿吨,合理利用秸秆直接关系到我国经济的可持续发展。之前,玉米秸秆少量被粉碎还田和制作家畜饲料,大部分用来燃烧获取热量。然而,玉米秸秆含有比较高的葡聚糖和木聚糖,可以通过生物过程转化为可发酵糖用于生物燃料乙醇的生产。但是由于木质素对聚糖组分的物理包覆,玉米秸秆具有天然的酶解抗性,因此需要对其进行预处理以提高纤维素酶解转化率。本课题采用酸性亚硫酸盐法对玉米秸秆进行预处理,意在找到一种能够高效率转化生物燃料乙醇的方法,同时研究其预处理机制以及玉米秸秆生物精炼的可行性。本论文的主要研究内容和结果如下:1. 玉米秸秆酸性亚硫酸盐法预处理、糖化发酵生产乙醇及预处理废液的综合利用对玉米秸秆进行了酸性亚硫酸盐法预处理,通过对预处理后的富含纤维素的固形物进行低底物浓度条件下酶解性能的比较,优化得出酸性亚硫酸盐法预处理玉米秸秆的最佳预处理条件为:Na HSO3用量7%,H2SO4用量1%,反应温度170℃,反应时间30 min,固液比1:4。在此最佳预处理条件下,预处理后富含纤维素的固料酶解48 ...
【文章来源】：齐鲁工业大学山东省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
木质素基本结构单体
齐鲁工业大学硕士学位论文25图2.4在170℃下对玉米秸秆进行亚硫酸盐预处理30min的初步质量平衡2.4本章小结1.玉米秸秆经酸性亚硫酸盐法预处理后被分馏成富含纤维素的固料、半纤维素和木质素磺酸盐组分。当NaHSO3用量由3%增加到8%时，木聚糖的溶出率由66.19%增加到75.8%，脱木素率由17.93%提高到39.51%，说明在酸性亚硫酸盐预处理过程中，有很大一部分半纤维素与木质素被溶解或除去。此外，当NaHSO3的用量在3-8%范围内时，葡聚糖的损失小于6%，这表明玉米秸秆中的大部分纤维素被保存下来。2.采用Q-SSF工艺将纤维素组分高效率转化为生物燃料乙醇，发酵48h后乙醇产量提高到36g/L，纤维素转化率约为86%，乙醇产率约为0.752g/L/h。3.采用AB-8大孔吸附树脂和95%甲醇体系，将酸性亚硫酸氢钠预处理液中的聚糖和木质素磺酸盐组分进行了有效分离，所得木质素磺酸盐纯度高，且含硫量高，表明木质素磺酸盐可作为表面活性剂或其它工业应用。4.初步质量平衡结果表明，酸性亚硫酸盐预处理的固体经Q-SSF后，生物燃料乙醇产率达到162L/吨玉米秸秆。另外，预处理废液中木质素和木聚糖的产量分别为58kg和76kg。
齐鲁工业大学硕士学位论文31表3.3酸性亚硫酸盐预处理引起的纤维素结晶度指数和玉米秸秆比表面积的变化样品结晶度（%）比表面积（m2/g）未经处理的玉米秸秆22.107.24酸性亚硫酸盐预处理的玉米秸秆41.339.223.3.3酸性亚硫酸盐预处理后玉米秸秆表面积的变化木质纤维素分解酶引起的水解需要木质纤维素底物和酶之间充分接触，形成底物-酶复合物以释放糖[134-135]。因此，纤维素的可及表面积被认为是影响纤维素酶促水解产率和速率的最关键因素之一[136-137]。多种分析技术已被应用于测量木质纤维素基质的表面积。在这些技术中，带氮吸附的BET方法可提供基材的可及表面积。SEM成像可用于评估基材的外部比表面积。3.3.3.1外表面的定性评估图3.2显示了在亚硫酸酸预处理之前和之后的玉米叶，玉米壳和玉米芯的SEM图像。未经处理的玉米秸秆的壳和叶表面是有序且致密的。亚硫酸盐破坏了表面结构，导致表面松散，并具有明显的裂纹和孔隙。还可以观察到许多细小纤维。未处理的玉米芯表面为有序的网状结构，预处理也破坏了这种结构。更多的内部结构暴露在外，这也增加了表面积。更大的外表面积有利于木质纤维素分解酶与纤维之间的接触，从而提高了纤维素的酶促水解效率[138]。(a)玉米壳(b)玉米叶(c)玉米芯(d)预处理后玉米壳(e)预处理后玉米叶(f)预处理后玉米芯图3.2酸性亚硫酸盐预处理前后的玉米秸秆的SEM图像（×75）3.3.3.2内部比表面积Zhu[139]和Wang[140]等人用溶剂排除表面积法测量了生物质原料在预处理前后的内
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热重分析法的生物质变温热解特性实验研究[J]. 陈梅倩,胡德豪,黄友旺. 华北电力大学学报(自然科学版). 2019(06)
[2]美国燃料乙醇行业发展现状与启示[J]. 娄岩. 国际石油经济. 2019(09)
[3]Advances in catalytic conversion of lignocellulose to chemicals and liquid fuels[J]. Jiping Ma,Song Shi,Xiuquan Jia,Fei Xia,Hong Ma,Jin Gao,Jie Xu. Journal of Energy Chemistry. 2019(09)
[4]燃料乙醇发展趋势及我国石油化工企业对策研究[J]. 阳国军. 酿酒科技. 2019(11)
[5]低共熔溶剂对木质纤维素分离及木质素提取的研究进展[J]. 司马国宝,王帅,崔莹,黄健,甘林火. 现代化工. 2019(09)
[6]中国乙醇汽油和燃料乙醇市场供需现状[J]. 娄岩. 国际石油经济. 2019(07)
[7]稳步推进生物燃料乙醇产业健康发展[J]. 佟毅. 中国粮食经济. 2019(06)
[8]碱性过氧化氢预处理小麦秸秆强化酶解产糖的研究[J]. 苗林平,霍丽,徐力,周瑞佳,杨明琰,樊成. 纤维素科学与技术. 2018(04)
[9]基于专利分析的燃料乙醇技术发展研究[J]. 赵晓勤,毛开云,陈大明,江洪波. 生物产业技术. 2018(04)
[10]中国作物秸秆资源评估研究现状[J]. 谢光辉,王晓玉,任兰天. 生物工程学报. 2010(07)
博士论文
[1]木质纤维素制备生物质能源与生物基化学品的研究[D]. 姜楠.天津大学 2014
硕士论文
[1]氨水循环爆破法对高粱秸秆预处理效果的研究[D]. 李兵.天津大学 2012
本文编号：3359943
【文章来源】：齐鲁工业大学山东省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
木质素基本结构单体
齐鲁工业大学硕士学位论文25图2.4在170℃下对玉米秸秆进行亚硫酸盐预处理30min的初步质量平衡2.4本章小结1.玉米秸秆经酸性亚硫酸盐法预处理后被分馏成富含纤维素的固料、半纤维素和木质素磺酸盐组分。当NaHSO3用量由3%增加到8%时，木聚糖的溶出率由66.19%增加到75.8%，脱木素率由17.93%提高到39.51%，说明在酸性亚硫酸盐预处理过程中，有很大一部分半纤维素与木质素被溶解或除去。此外，当NaHSO3的用量在3-8%范围内时，葡聚糖的损失小于6%，这表明玉米秸秆中的大部分纤维素被保存下来。2.采用Q-SSF工艺将纤维素组分高效率转化为生物燃料乙醇，发酵48h后乙醇产量提高到36g/L，纤维素转化率约为86%，乙醇产率约为0.752g/L/h。3.采用AB-8大孔吸附树脂和95%甲醇体系，将酸性亚硫酸氢钠预处理液中的聚糖和木质素磺酸盐组分进行了有效分离，所得木质素磺酸盐纯度高，且含硫量高，表明木质素磺酸盐可作为表面活性剂或其它工业应用。4.初步质量平衡结果表明，酸性亚硫酸盐预处理的固体经Q-SSF后，生物燃料乙醇产率达到162L/吨玉米秸秆。另外，预处理废液中木质素和木聚糖的产量分别为58kg和76kg。
齐鲁工业大学硕士学位论文31表3.3酸性亚硫酸盐预处理引起的纤维素结晶度指数和玉米秸秆比表面积的变化样品结晶度（%）比表面积（m2/g）未经处理的玉米秸秆22.107.24酸性亚硫酸盐预处理的玉米秸秆41.339.223.3.3酸性亚硫酸盐预处理后玉米秸秆表面积的变化木质纤维素分解酶引起的水解需要木质纤维素底物和酶之间充分接触，形成底物-酶复合物以释放糖[134-135]。因此，纤维素的可及表面积被认为是影响纤维素酶促水解产率和速率的最关键因素之一[136-137]。多种分析技术已被应用于测量木质纤维素基质的表面积。在这些技术中，带氮吸附的BET方法可提供基材的可及表面积。SEM成像可用于评估基材的外部比表面积。3.3.3.1外表面的定性评估图3.2显示了在亚硫酸酸预处理之前和之后的玉米叶，玉米壳和玉米芯的SEM图像。未经处理的玉米秸秆的壳和叶表面是有序且致密的。亚硫酸盐破坏了表面结构，导致表面松散，并具有明显的裂纹和孔隙。还可以观察到许多细小纤维。未处理的玉米芯表面为有序的网状结构，预处理也破坏了这种结构。更多的内部结构暴露在外，这也增加了表面积。更大的外表面积有利于木质纤维素分解酶与纤维之间的接触，从而提高了纤维素的酶促水解效率[138]。(a)玉米壳(b)玉米叶(c)玉米芯(d)预处理后玉米壳(e)预处理后玉米叶(f)预处理后玉米芯图3.2酸性亚硫酸盐预处理前后的玉米秸秆的SEM图像（×75）3.3.3.2内部比表面积Zhu[139]和Wang[140]等人用溶剂排除表面积法测量了生物质原料在预处理前后的内
【参考文献】：
期刊论文
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[3]Advances in catalytic conversion of lignocellulose to chemicals and liquid fuels[J]. Jiping Ma,Song Shi,Xiuquan Jia,Fei Xia,Hong Ma,Jin Gao,Jie Xu. Journal of Energy Chemistry. 2019(09)
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[6]中国乙醇汽油和燃料乙醇市场供需现状[J]. 娄岩. 国际石油经济. 2019(07)
[7]稳步推进生物燃料乙醇产业健康发展[J]. 佟毅. 中国粮食经济. 2019(06)
[8]碱性过氧化氢预处理小麦秸秆强化酶解产糖的研究[J]. 苗林平,霍丽,徐力,周瑞佳,杨明琰,樊成. 纤维素科学与技术. 2018(04)
[9]基于专利分析的燃料乙醇技术发展研究[J]. 赵晓勤,毛开云,陈大明,江洪波. 生物产业技术. 2018(04)
[10]中国作物秸秆资源评估研究现状[J]. 谢光辉,王晓玉,任兰天. 生物工程学报. 2010(07)
博士论文
[1]木质纤维素制备生物质能源与生物基化学品的研究[D]. 姜楠.天津大学 2014
硕士论文
[1]氨水循环爆破法对高粱秸秆预处理效果的研究[D]. 李兵.天津大学 2012
本文编号：3359943
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3359943.html
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