水热处理油菜杆对液体产物与残渣酶解产糖的影响

发布时间：2020-08-15 12:43

【摘要】：高效和绿色的技术工艺的需求促使水热处理成为可持续的生物质炼制工业中一种理想的处理方式。这种处理方式已经用于处理多种生物质的研究,在这个过程中产生了大量的高价值的产物,尤其是处理后得到的液体产物,因此系统的分析和表征这些液体产物显得尤为重要,其次是建立残渣组分变化与其被酶解效率之间的关系,优化处理条件进而最大化的增加残渣的糖化率。本研究中采用高温水热处理方式,选取了不同处理温度(145℃,160℃,175℃,190℃和205℃)和保留时间(15 min,30 min,60 min和120 min)处理油菜杆,首先对反应产生的液体产物进行了详细的分析和定量表征。结果表明,木聚糖的最佳得率条件为反应温度195℃,保留时间15 min;木单糖的含量最高的处理条件为反应温度175℃,保留时间120 min。液体中低聚物分子量的分析,溶解的半纤维素组分大分子随处理强度增加进一步解聚。二维核磁图谱表明液体产物中主要以D-木聚糖[(1→4)-β]为主,支链单元有D-葡糖糖醛酸(4-O-甲基-α)、D-甘露糖基[(1→4)-β、(1→6)-α]、L-阿拉伯糖基(α)、D-干乳糖基[(1→4)-β]和少量的乙酰基;水溶木质素的S/G值从4.60(L145-60)下降到1.77(L205-60)并伴随着木质素的缩合和降解。热稳定性分析表明液体产物热稳定性增强。进一步研究了处理后残渣组分与结构变化对残渣酶解产糖的影响。结果表明,水热处理可以有效的将油菜杆中的半纤维素溶出,且脱出率达95%以上,使得纤维素的含量从35.01%增加到60.08%,酸不溶木质素含量从12.70%显著增加到34.47%;扫描电镜图像显示,残渣表观形态被不同程度的破坏,在较高的处理条件下,表面出现大量的碎片;X射线衍射图谱分析表明,纤维素的相对比例增加,使得油菜杆中纤维素结晶指数由28.9%增加到51.4%。残渣热稳定性增强从侧面反应了油菜杆中半纤维的降解;分析固体残渣的红外光谱发现半纤维素和木质素对应的特征峰分别减弱和增强,进一步说明水热处理导致半纤维的降解和木质素结构发生变化。酶解糖化结果表明,葡萄糖的得率随着处理强度的增加而逐渐增加,在相对较低的温度(190℃)和短的保留时间(15-30min)下达到96%-100%的高得率。本文从提高油菜杆生产价值角度提出水热处理油菜杆,研究处理对得到的液体产物和残渣酶解产糖的影响,研究成果为油菜杆资源的分级利用提供了一定的理论支持。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6;S216.2
【图文】：

生物质,纤维,结构示意图

由于能源矿产比例的限制，我国的能源供给长期依赖煤炭量煤炭的使用势必产生大量的污染物，使得近年来我国北方大部分此外，我国石油消费中，进口石油所占的比例已经超过 65%（任东明势明显，而化工生产中基础化学品主要源自石化资源精炼工业。开色能源和化学品供给途径亟待进行。生物质资源的开发是唯一种能可持续供给的途径，但是由于技术、产业和政策机制等问题，生物度还很低。的定义很广泛，在实际的开发利用中纤维质生物质是开发利用的重是在农业生产中产生的平茬枝条、作物秸秆、果壳和林业生产中的业生产中的纤维废弃物等富含碳水化学物的物质。现如今，我国纤一，例如，用于纸浆造纸，直接燃烧发电，少部分用作畜牧饲料，为有机肥等，大部分没有被有效利用，这使得纤维生物质利用价值成本的转化工艺提高纤维生物质产业经济价值不仅有利于能源和化有助于纤维生物质的高值化利用。生物质的基本组成

结构图,联结方式,木质素,结构图

有半纤维素 28~33%，纤维素 35~39%，和木质素 12~18%（Sun R C and Tomkin00）。除去三种主要的成分，纤维生物质中还含有少量的芳香族化合物、萜烯类、脂肪与腊、有机酸类、甾醇类和微量的无机盐等。2.1 纤维素纤维素是自然界生产量和含量最为丰富的多糖类物质，每年自然产量超 400Meisel C et al. 1989），是纤维质生物质组分的开发利用中重点研究的部分。纤维吡喃葡萄糖以β-1，4 糖苷键联接组成的线状高分子，在氢键的作用下大部分于纤质中以晶体状态存在，其晶型存在形式有纤维素Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，其中天然只有纤维素Ⅰ型，其他几种晶型都可以由Ⅰ型转化形成（汪维云 1998；Agbo11）。纤维素的这种致密的结晶结构对其后续的转化应用有很大制约。传统上，用于造纸业和纺织业等，因其具有可再生性、资源分布广泛性、基本组成单元转多样性等特性，使得纤维素具有很大开发应用潜力，可以应用于能源供应、食品材料等行业，因而纤维素的高值化转化得到广泛的关注（叶代勇等 2006）。2.2 木质素

结构图,半纤维素,木质素,结构图

图 1-3 木质素与半纤维素之间的联接方式结Figure. 1-3 Chemical linkages between lignin and ca1.4 影响处理方式选择的因素在选择相对应的处理方式时，需要考虑多种因素，如处理成率，基质的适用性。此外，处理后的原料要适于被下游的开发工处理过程中组分的综合利用，在提高基质糖化效率的同时能够得类降解产品，最重要的是处理的经济性和环保性。酶解纤维生物程，包括纤维素酶的吸附到基质表面的过程、复合酶协同水解的释放过程。影响酶解效率的因素有很多，总的来说可以分为基（化学组分与物理结构）和影响纤维素酶效率的因素。这其中基率的影响较大，已经发现的影响因素有半纤维素组分、木质素壁内蛋白质组分、纤维结晶度、纤维链的聚合度，基质孔体积粒大小，基质细胞壁厚度等（McMillan et al. 1994；Chang et a苯基醚键苯基糖苷键键苯基酯键

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