油棕空果壳预处理、糖化发酵产乙醇及预处理机制研究

发布时间：2017-06-30 04:16

  本文关键词：油棕空果壳预处理、糖化发酵产乙醇及预处理机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：油棕树原产于非洲和美洲,19世纪被引进到亚洲,主要产地分布在马来西亚,印度尼西亚等,其数量占全球油棕分布的85%以上。油棕树的木质纤维素包括枝干,叶子,果皮以及分离出油棕果后剩下的空果壳(empty fruit bunch, EFB),其中EFB是棕榈油生产工业中最主要的木质纤维素废料,EFB中含有比较高的葡聚糖(35-50%)和木聚糖(10-20%)。之前,EFB的处理方式是直接在原地自分解或者是燃烧处理产生粉末做肥料用,这不仅是对资源的极大浪费,也对环境造成了很大程度的污染。近些年来,由于EFB具有原料成本低廉,木质纤维素含量较高,年产量大等特点,被很多学者认为是生产生物乙醇的一种低成本可循环利用的原料。一些学者研究了碱法、氨碱法以及酸碱法结合等方法对EFB进行预处理生产生物乙醇的可行性,但经过这些方法预处理后EFB的转化率都比较低。基于以上背景,本论文拟采用不同方法对EFB进行预处理,希望找到一种能够有效提高EFB纤维素酶解转化率的预处理方法,进而通过发酵将其高效率转化成乙醇,并对其预处理机制进行研究,同时对EFB生物精炼的工艺进行探讨。本论文的主要研究内容和结果如下：1.EFB预处理、糖化发酵生产乙醇及亚硫酸盐法预处理废液再利用的初步探索对原料EFB进行了一系列化学法预处理,包括湿氧化法(WO),氧碱法(OA)和亚硫酸盐法预处理,通过对预处理后的固形物进行低底物浓度(2%)条件下酶解性能的比较,证明亚硫酸盐法预处理EFB的效果最好,且最佳的预处理条件为：NaHSO3用量8%,H2SO4用量1%,反应温度180℃,反应时间30 min,固液比1：4,在此反应条件下,以预处理前绝干原料为基准计算,纤维素酶解72 h时葡萄糖得率为0.318 g/g EFB。在最佳亚硫酸盐预处理条件预处理后,利用得到的EFB不溶性固形物进行高浓半同步糖化发酵生产乙醇,发现18%的底物浓度为最佳反应浓度,在此底物浓度下发酵160 h,乙醇浓度达到52 g/L,乙醇产率为0.325g/L/h,为理论产量值的95%。基于生物精炼方面考虑,进一步探讨了利用亚硫酸盐预处理废液生产有价值产品的可行性,以实现生物质价值的最大化。首先探索了直接利用亚硫酸盐预处理液制备糠醛的可能性,优化出制备糠醛的最佳反应条件为：H2SO4用量0.75%,反应温度180℃,反应时间25 min。反应后,糠醛的浓度达到18.8g/L,转化率达到82.5%。其次,通过不同的方法对预处理液进行处理和分离,发现选择大孔吸附树脂DM130,基本达到了将糖组分与木素磺酸盐组分有效分离的要求,为后续进一步分别生产糖和木素产品奠定了基础。2.亚硫酸盐预处理后EFB的组成和结构变化分析采用X-射线衍射,扫描电子显微镜(SEM),红外光谱(FT-IR)和比表面积测定等一系列分析检测手段,分析和比较了预处理前后原料EFB在纤维素结晶度,外比表面积,内比表面积以及功能基团等方面的变化。结果表明,亚硫酸盐预处理之后纤维素结晶度从62.3%提高到74.4%,氢键强度从4.75下降到3.24。SEM结果显示,亚硫酸盐预处理之后EFB表面受到严重的破坏,有明显的裂痕孔洞的出现,结构也变得疏松,而且有细小纤维的产生。亚硫酸盐预处理之后原料的BET比表面积(从0.99增加到1.18)、累计孔体积和平均孔直径都有所增加。同时,物料大于50 nm大孔的孔体积在亚硫酸盐预处理之后比原料有很大程度的增加。分别对亚硫酸盐法、氧碱法和稀酸法预处理后上述指标的变化进行了比较分析,以进一步说明亚硫酸盐法在EFB预处理过程中的不同反应机制。3.亚硫酸盐预处理前后EFB微观结构变化及纤维素酶酶解过程中细胞壁结构变化规律研究通过光学显微镜、扫描电子显微镜、荧光显微镜、激光共聚焦显微镜和原子力显微镜的观察分析,发现原料EFB主要是由厚壁细胞、薄壁细胞、导管和表皮细胞等组成。亚硫酸盐预处理后EFB的整体结构遭到破坏,由于药液的渗透和作用使得厚壁细胞之间发生脱离,部分细胞壁遭到破坏,甚至发生断裂。研究发现,亚硫酸盐预处理之后,EFB的纤维变短,宽度稍有减小,细小纤维含量大幅增加。对亚硫酸盐预处理后EFB细胞壁结构在纤维素酶酶解过程中的变化规律进行了初步研究,观察结果表明EFB在酶解1h之后大部分细胞壁就开始降解,随着时间的延长,细胞壁的降解加重,在酶解反应5h之后基本达到最大值,大部分的细胞壁发生降解,再增加反应时间并没有明显的降解发生。4.亚硫酸盐预处理对EFB半纤维素和木素性质的影响研究为了进一步研究亚硫酸盐预处理过程中对EFB的作用,从亚硫酸盐预处理前后的样品中提纯半纤维素和磨木木素(milled wood lignin, MWL),通过一系列的分析手段,分析亚硫酸盐预处理前后半纤维素和MWL发生的变化。结果显示,EFB的半纤维素组分是以木聚糖为主链的,在预处理之后有部分的烷基暴露出来,以及半纤维素中形成一部分酯键。在亚硫酸盐预处理过程中原料中木质素发生的反应有：脱除木质素的过程中苯基丙烷和羟基丙烷(Ca和C7)酯化反应的发生；紫丁香基,缩合型愈创木基等基团的降解或者溶出；甲氧基的去除等。研究了亚硫酸盐预处理前后EFB木质素对纤维素酶吸附作用的变化。分别将亚硫酸盐预处理前后EFB中提取的MWL和水溶性MWL加入到模拟糖化体系中,结果表明,预处理后EFB的MWL和水溶性MWL对总蛋白、总酶活和外切酶酶活等都有不同程度的抑制。
【关键词】：油棕空果壳 亚硫酸盐预处理 糖化发酵 半纤维素 木素 结构和性质 微观结构
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ223.122;TQ920.1
【目录】：

• 摘要7-10
• ABSTRACT10-14
• 符号说明及缩略词14-16
• 第一章 绪论16-48
• 1.1 燃料生物乙醇国内外研究现状16-21
• 1.1.1 国外发展现状16-18
• 1.1.2 国内发展现状18-20
• 1.1.3 纤维素乙醇面临的问题20-21
• 1.2 木质纤维素原料生产生物乙醇关键问题21-37
• 1.2.1 木质纤维素原料化学组成21-22
• 1.2.2 原料预处理技术22-35
• 1.2.3 糖化发酵技术35-36
• 1.2.4 生物炼制36-37
• 1.3 木质素分离分析技术及其对纤维素酶的吸附37-40
• 1.3.1 木质素分离方法37-38
• 1.3.2 木质素分析手段38-39
• 1.3.3 木质素对纤维素酶的吸附39-40
• 1.4 EFB简介及生产纤维素乙醇国内外研究现状40-44
• 1.4.1 EFB简介40-41
• 1.4.2 EFB生产纤维素乙醇国内外研究现状41-44
• 1.5 论文的立题依据和主要内容44-48
• 第二章 EFB预处理和糖化发酵生产乙醇及亚硫酸盐法预处理液再利用研究48-82
• 2.1 实验原料和方法48-55
• 2.1.1 实验原料48
• 2.1.2 常用试剂和培养基48-49
• 2.1.3 主要仪器49
• 2.1.4 实验方法49-53
• 2.1.5 分析与测试方法53-55
• 2.2 结果与讨论55-80
• 2.2.1 EFB的氧碱预处理和纤维素酶解性能的研究55-58
• 2.2.2 EFB亚硫酸盐预处理和酶解性能研究58-62
• 2.2.3 EFB生物预处理62-68
• 2.2.4 亚硫酸盐预处理后EFB糖化发酵生产乙醇68-74
• 2.2.5 亚硫酸盐法预处理液利用的初步探讨74-80
• 2.3 小结80-82
• 第三章 亚硫酸盐预处理后EFB的组成和结构变化分析82-96
• 3.1 实验原料和方法82-84
• 3.1.1 实验原料和常用试剂82
• 3.1.2 主要仪器82
• 3.1.3 实验方法82-84
• 3.2 结果与讨论84-94
• 3.2.1 亚硫酸盐预处理后EFB化学成分分析84
• 3.2.2 亚硫酸盐预处理前后EFB纤维素结晶度的变化84-86
• 3.2.3 亚硫酸盐预处理前后EFB功能基团的变化86-88
• 3.2.4 亚硫酸盐预处理前后EFB比表面积的变化88-94
• 3.3 小结94-96
• 第四章 亚硫酸盐预处理对EFB形态学和微观结构特征的影响研究96-122
• 4.1 实验原料和方法96-98
• 4.1.1 实验原料96
• 4.1.2 主要仪器96
• 4.1.3 实验方法96-98
• 4.2 结果与讨论98-121
• 4.2.1 预处理前后原料的解剖学结构观察98-106
• 4.2.2 纤维形态观察106-107
• 4.2.3 不同原料亚硫酸盐预处理前后的细胞壁超微结构特征及其变化107-118
• 4.2.4 纤维细胞壁在纤维素酶酶解过程中变化规律的初步研究118-121
• 4.3 小结121-122
• 第五章 亚硫酸盐预处理对EFB半纤维素和木素性质的影响研究122-142
• 5.1 实验原料和方法123-127
• 5.1.1 实验原料123
• 5.1.2 实验仪器123
• 5.1.3 实验方法123-127
• 5.1.4 分析方法127
• 5.2 结果与讨论127-139
• 5.2.1 亚硫酸盐预处理对半纤维素性质的研究127-130
• 5.2.2 亚硫酸盐预处理对木质素性质的影响研究130-136
• 5.2.3 磨木木素水不溶性组分和水溶性组分对纤维素酶的吸附和抑制136-139
• 5.3 小结139-142
• 全文总结与展望142-146
• 参考文献146-166
• 攻读学位期间发表的学术论文166-168
• 致谢168-169
• 附件169

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 常秀莲;木质纤维素发酵酒精的探讨[J];酿酒科技;2001年02期

2 闫志英;袁月祥;刘晓风;廖银章;贺蓉娜;;复合菌剂预处理秸秆产沼气[J];四川农业大学学报;2009年02期

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本文编号：500571