不同尺度机械粉碎对秸秆物性及酶解效率的影响和机理研究
发布时间：2021-06-13 21:35
农作物秸秆是十分重要的可再生能源原料。乙醇生物转化是农作物秸秆能源化利用的重要途径,农作物秸秆通过酶解产生单糖,然后经过微生物发酵产生生物乙醇。农作物秸秆复杂的化学组成及空间结构形成的生物抗性导致细胞壁在酶解过程中转化为单糖的效率低、成本高。为降低农作物秸秆的生物抗性和提高酶解转化效率,通常需要对农作物秸秆进行一定的预处理。机械粉碎预处理作为秸秆处理的第一步,已成为农作物秸秆生物能源转化工艺中的必备操作单元。本论文针对农作物秸秆在不同尺度上的生物抗性,以玉米芯、水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆为研究对象,系统研究了不同尺度机械粉碎对农作物秸秆的微观结构和理化性质的影响,测定了酶解效率和不同尺度机械粉碎方式的能耗,探究了不同尺度机械粉碎能耗、微观结构和酶解效率间的量化关系。在此基础上提出了一种机械粉碎/水热复合预处理方式,以期能够降低粉碎能耗同时增加转化效率。本论文的主要结论如下:（1）细胞尺度玉米芯粉体（<50-30μm）呈现出不同于植物尺度（>1 mm）和组织尺度（500-100 μm）玉米芯粉体的微观结构和理化性质:纤维内部孔径暴露于粉体表面导致比表面积增大,纤维素结晶度和...
【文章来源】：中国农业大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１生物乙醇制备流程（Ｒｕｂｉｎ，?２００８）??
１．２．１纤维素??纤维素是农作物结秆中含童最多的聚合物（３０％－５０％），是由葡萄糖基通过ｐ－１，?４糖苷键形??成的大分子聚合物，分子式为ＣｇＨｈＯｓ—（Ｃ６Ｈｌｆｌ０５）？—Ｃ６Ｈｎ０５。纤维素链呈线性排列且不存在支??链结构，如图１－３所示。纤维素中葡萄糖基的数量即为纤维素的聚合度，天然存在的纤维素聚合??度一般都高于１００００，如在天然棉花中纤维素聚合度在１５０００左右（Ａｇｂｏｒ等，２０１１）。??－?〇Ｈ?］?〇Ｈ??ＯＨ?〈?ＯＨ?／??ＯＨ?０Ｈ??图１－３纤维素链结构??纤维素的高分子结构除了链结构外还包括聚集态结构。聚集态结构？般指的是高分子整体的??内部结构，包括晶体结构和取向等（杨淑蕙，２０１１）。纤维素中的葡萄糖环是一种较为稳定的椅式??构象，因此整条纤维素链呈现弯曲的螺旋结构，这也导致纤维素链上大贵自由羟基可以形成分子??间和分子内氢键结构（图１－４）。借助Ｘ射线衍射可以清晰观察到纤维素的聚集态结构，一部分的??整呈Ｘ，这区，一整
半纤维素是农作物秸秆中含量第二多的聚合物（２０°／。－５０％），与纤维素不同，半纤维素不是均??一聚糖，而是一些复合聚糖的总称。组成半纤维素的单体主要有：Ｄ－木糖，Ｄ－葡萄糖，Ｄ－甘露糖，??Ｄ－半乳糖，Ｌ－阿拉伯糖和Ｄ－葡糖糖醛酸等（图１－５）。这些单体在构成半纤维素时，一般由２－４种??结构单体构成不均一聚糖，并且半纤维素链带有数量不等的支链结构。半纤维素并不是农作物秸??秆细胞壁中的结构多糖，而是填充在纤维素微纤丝之间的粘合剂，聚合度（８０－１２０）要显著小于??纤维素，因此也比纤维素更易于水解（Ａｇｂｏｒ等，２０１１）。半纤维素的去除能够增加纤维素酶与纤??维素的接触面积，从而提高纤维素的转化效率。??？Ｈ?？Ｈ?ｏｈ〇ｈ??〇Ｈ?、〇Ｈ??Ｌ＞匍甸糖?ｌ＞甘露糖?Ｄ？芊乳糖??Ｈａ?＾＞ｈ??〇Ｈ?０?ＨＯ?ＯＨ??Ｌ？河拉伯糖?Ｄ－木糖?丨）？匍萄糖醛酸??图Ｎ５半纤维素的组成单体??１．２．３木质素??木质素在农作物秸秆中含量约为５％－２０％，木质素具有苯基丙烷单位的基本骨架，其主要单??体有如下三种：①对－羟基苯基丙烷；②愈创木基丙烷；③紫丁香基丙烷（图１－６）。这三种单体通??过碳氧键和碳碳键形成具有各向异性的三维立体结构的聚合物（Ｈｅｎｄｒｉｋｓ?＆?Ｚｅｅｍａｎ，?２００９）。木??质素在胞间层的浓度最高，在次生壁中浓度最低，但由于次生壁的厚度比胞间层和初生壁的厚度??大很多
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国农作物秸秆综合利用现状及焚烧碳排放估算[J]. 石祖梁,贾涛,王亚静,王久臣,孙仁华,王飞,李想,毕于运. 中国农业资源与区划. 2017(09)
[2]机械超微粉碎与不同粒度常规粉碎对红茶理化特性的影响[J]. 张阳,肖卫华,纪冠亚,陈雪礼,韩鲁佳,高崇风. 农业工程学报. 2016(11)
[3]玉米秸秆超微粉碎与醇解液化研究[J]. 刘欢,顾邢伟,王雪,韩鲁佳,肖卫华. 农业机械学报. 2015(11)
[4]纤维素结晶度的测定方法[J]. 马晓娟,黄六莲,陈礼辉,曹石林. 造纸科学与技术. 2012(02)
[5]木质纤维素生物质预处理技术研究现状[J]. 张元晶,魏刚,张小冬,魏云鹏,乔宁. 中国农学通报. 2012(11)
[6]木质纤维素生物质预处理技术的研究进展[J]. 胡秋龙,熊兴耀,谭琳,苏小军,贺应龙,刘祥华,易锦琼. 中国农学通报. 2011(10)
[7]超微粉碎对小麦麸皮物理性质的影响[J]. 王跃,李梦琴. 现代食品科技. 2011(03)
[8]不同粒径脱脂米糠膳食纤维的组成成分及理化特性的研究[J]. 李伦,张晖,高云中. 粮食与饲料工业. 2008(12)
[9]中国生物质能产业发展现状及趋势分析[J]. 王久臣,戴林,田宜水,秦世平. 农业工程学报. 2007(09)
[10]超细粉碎对黄芪有效成分溶出的影响[J]. 陈宇红. 宁夏医学杂志. 2007(03)
博士论文
[1]玉米秸秆捡拾粉碎沟埋还田机研究[D]. 郑智旗.中国农业大学 2017
[2]可抽提物对玉米秸秆水热预处理效果的影响研究[D]. 李梓木.哈尔滨工业大学 2016
[3]木质生物质粉碎及规模化制粉机械设计及理论研究[D]. 付敏.东北林业大学 2010
硕士论文
[1]立式香蕉秸秆粉碎还田机关键部件优化设计与试验[D]. 甘声豹.海南大学 2015
[2]粉碎预处理对秸秆沼气发酵浮渣形成的影响研究[D]. 熊霞.中国农业科学院 2015
[3]水稻秸秆纤维素的纯化及纺丝工艺的研究[D]. 刘诗萌.西南交通大学 2014
[4]紫外吸收光谱结合偏最小二乘法海水硝酸盐测量技术研究[D]. 杨鹏程.国家海洋技术中心 2013
本文编号：3228383
【文章来源】：中国农业大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：120 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１生物乙醇制备流程（Ｒｕｂｉｎ，?２００８）??
１．２．１纤维素??纤维素是农作物结秆中含童最多的聚合物（３０％－５０％），是由葡萄糖基通过ｐ－１，?４糖苷键形??成的大分子聚合物，分子式为ＣｇＨｈＯｓ—（Ｃ６Ｈｌｆｌ０５）？—Ｃ６Ｈｎ０５。纤维素链呈线性排列且不存在支??链结构，如图１－３所示。纤维素中葡萄糖基的数量即为纤维素的聚合度，天然存在的纤维素聚合??度一般都高于１００００，如在天然棉花中纤维素聚合度在１５０００左右（Ａｇｂｏｒ等，２０１１）。??－?〇Ｈ?］?〇Ｈ??ＯＨ?〈?ＯＨ?／??ＯＨ?０Ｈ??图１－３纤维素链结构??纤维素的高分子结构除了链结构外还包括聚集态结构。聚集态结构？般指的是高分子整体的??内部结构，包括晶体结构和取向等（杨淑蕙，２０１１）。纤维素中的葡萄糖环是一种较为稳定的椅式??构象，因此整条纤维素链呈现弯曲的螺旋结构，这也导致纤维素链上大贵自由羟基可以形成分子??间和分子内氢键结构（图１－４）。借助Ｘ射线衍射可以清晰观察到纤维素的聚集态结构，一部分的??整呈Ｘ，这区，一整
半纤维素是农作物秸秆中含量第二多的聚合物（２０°／。－５０％），与纤维素不同，半纤维素不是均??一聚糖，而是一些复合聚糖的总称。组成半纤维素的单体主要有：Ｄ－木糖，Ｄ－葡萄糖，Ｄ－甘露糖，??Ｄ－半乳糖，Ｌ－阿拉伯糖和Ｄ－葡糖糖醛酸等（图１－５）。这些单体在构成半纤维素时，一般由２－４种??结构单体构成不均一聚糖，并且半纤维素链带有数量不等的支链结构。半纤维素并不是农作物秸??秆细胞壁中的结构多糖，而是填充在纤维素微纤丝之间的粘合剂，聚合度（８０－１２０）要显著小于??纤维素，因此也比纤维素更易于水解（Ａｇｂｏｒ等，２０１１）。半纤维素的去除能够增加纤维素酶与纤??维素的接触面积，从而提高纤维素的转化效率。??？Ｈ?？Ｈ?ｏｈ〇ｈ??〇Ｈ?、〇Ｈ??Ｌ＞匍甸糖?ｌ＞甘露糖?Ｄ？芊乳糖??Ｈａ?＾＞ｈ??〇Ｈ?０?ＨＯ?ＯＨ??Ｌ？河拉伯糖?Ｄ－木糖?丨）？匍萄糖醛酸??图Ｎ５半纤维素的组成单体??１．２．３木质素??木质素在农作物秸秆中含量约为５％－２０％，木质素具有苯基丙烷单位的基本骨架，其主要单??体有如下三种：①对－羟基苯基丙烷；②愈创木基丙烷；③紫丁香基丙烷（图１－６）。这三种单体通??过碳氧键和碳碳键形成具有各向异性的三维立体结构的聚合物（Ｈｅｎｄｒｉｋｓ?＆?Ｚｅｅｍａｎ，?２００９）。木??质素在胞间层的浓度最高，在次生壁中浓度最低，但由于次生壁的厚度比胞间层和初生壁的厚度??大很多
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国农作物秸秆综合利用现状及焚烧碳排放估算[J]. 石祖梁,贾涛,王亚静,王久臣,孙仁华,王飞,李想,毕于运. 中国农业资源与区划. 2017(09)
[2]机械超微粉碎与不同粒度常规粉碎对红茶理化特性的影响[J]. 张阳,肖卫华,纪冠亚,陈雪礼,韩鲁佳,高崇风. 农业工程学报. 2016(11)
[3]玉米秸秆超微粉碎与醇解液化研究[J]. 刘欢,顾邢伟,王雪,韩鲁佳,肖卫华. 农业机械学报. 2015(11)
[4]纤维素结晶度的测定方法[J]. 马晓娟,黄六莲,陈礼辉,曹石林. 造纸科学与技术. 2012(02)
[5]木质纤维素生物质预处理技术研究现状[J]. 张元晶,魏刚,张小冬,魏云鹏,乔宁. 中国农学通报. 2012(11)
[6]木质纤维素生物质预处理技术的研究进展[J]. 胡秋龙,熊兴耀,谭琳,苏小军,贺应龙,刘祥华,易锦琼. 中国农学通报. 2011(10)
[7]超微粉碎对小麦麸皮物理性质的影响[J]. 王跃,李梦琴. 现代食品科技. 2011(03)
[8]不同粒径脱脂米糠膳食纤维的组成成分及理化特性的研究[J]. 李伦,张晖,高云中. 粮食与饲料工业. 2008(12)
[9]中国生物质能产业发展现状及趋势分析[J]. 王久臣,戴林,田宜水,秦世平. 农业工程学报. 2007(09)
[10]超细粉碎对黄芪有效成分溶出的影响[J]. 陈宇红. 宁夏医学杂志. 2007(03)
博士论文
[1]玉米秸秆捡拾粉碎沟埋还田机研究[D]. 郑智旗.中国农业大学 2017
[2]可抽提物对玉米秸秆水热预处理效果的影响研究[D]. 李梓木.哈尔滨工业大学 2016
[3]木质生物质粉碎及规模化制粉机械设计及理论研究[D]. 付敏.东北林业大学 2010
硕士论文
[1]立式香蕉秸秆粉碎还田机关键部件优化设计与试验[D]. 甘声豹.海南大学 2015
[2]粉碎预处理对秸秆沼气发酵浮渣形成的影响研究[D]. 熊霞.中国农业科学院 2015
[3]水稻秸秆纤维素的纯化及纺丝工艺的研究[D]. 刘诗萌.西南交通大学 2014
[4]紫外吸收光谱结合偏最小二乘法海水硝酸盐测量技术研究[D]. 杨鹏程.国家海洋技术中心 2013
本文编号：3228383
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/3228383.html
