有机溶剂预处理农业废弃物制取燃料乙醇研究

发布时间：2017-05-20 18:02

  本文关键词：有机溶剂预处理农业废弃物制取燃料乙醇研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：木质纤维素是自然界中存在的极为广泛的可再生资源,其中有大量的农业废弃物如秸秆、玉米芯等产生,因此农业废弃物的可再生利用意义巨大。玉米芯作为一种典型的农业废弃物,量大且价格低廉,是生产燃料乙醇的理想原料。本文通过对木质纤维素生产燃料乙醇的整个工艺过程进行优化,包括预处理、酶解糖化、同步糖化发酵(SSF)以及纤维素酶的固定化进行研究,来提高乙醇浓度和降低生产成本。预处理的实验结果表明：硫酸-乙醇的最佳预处理条件为硫酸质量分数2%、乙醇体积分数50%、预处理温度120℃、预处理时间60min、固液比1：10,在此条件下预处理后的玉米芯酶解得率为68.48%。氢氧化钠耦合乙醇预处理的最佳条件为：氢氧化钠质量分数2%、乙醇体积分数50%、预处理温度60℃、预处理时间60min、固液比1：10,预处理后的玉米芯中纤维素含量为73.11%,木质素含量明显降低,木质素的脱除率达到74.48%,玉米芯的酶解得率为77.29%,并且实验条件较硫酸-乙醇预处理条件温和。采用海藻酸钠为载体、戊二醛为交联剂制备固定化纤维素酶,探讨戊二醛浓度、纤维素酶添加量、交联时间和交联温度对固定化纤维素酶酶活力影响。通过对固定化纤维素酶和游离纤维素酶的性质比较,包括最适温度、最适pH、热稳定性、储存稳定性和重复使用稳定性等方面,结果表明：固定化纤维素酶的最适温度为60℃,最适pH为5.8,热稳定性、重复使用稳定性和储存稳定性都明显提高。利用氢氧化钠耦合乙醇预处理后的玉米芯进行SSF实验,结果表明：SSF工艺的最佳条件为：底物浓度5%、纤维素酶添加量20FPU/(g玉米芯)、酵母菌接种量5%、发酵温度38℃、发酵时间72h,在此条件下,乙醇的浓度可以达到12.93g/L,转化率达到62.28%；SSF实验前对原料进行预糖化可提高乙醇的生产能力,并且能够明显缩短发酵周期,预糖化12h最佳,在同步糖化发酵36h即可以达到终点,乙醇浓度达到12.97g/L；采用分批补料工艺进行高底物浓度同步糖化发酵,使得乙醇浓度能够达到19.13g/L。在前人研究成果的基础上,推导出了SSF工艺中还原糖变化的动力学方程。并利用非线性动态变化惯性权重的自适应粒子群优化算法对玉米芯SSF工艺中的菌体生长、产物生成以及还原糖消耗模型进行参数辨识,并对这些模型进行拟合。结果表明：模型的拟合值与实验数据吻合较好。
【关键词】：木质纤维素 预处理 固定化纤维素酶 同步糖化发酵 粒子群优化算法
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ223.122;X71
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符号说明9-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 纤维素类农业废弃物生产燃料乙醇的意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11
• 1.3 木质纤维素的结构与性质11-13
• 1.4 木质纤维素制取燃料乙醇的工艺流程13-17
• 1.5 发酵过程模拟17-18
• 1.6 主要研究内容和技术路线18-20
• 第二章 玉米芯预处理优化20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 实验材料与仪器20-21
• 2.2.1 实验材料20
• 2.2.2 主要实验仪器和设备20
• 2.2.3 主要试剂20-21
• 2.3 实验方法21-25
• 2.3.1 酸、碱单独预处理21
• 2.3.2 硫酸-乙醇预处理21-22
• 2.3.3 氢氧化钠耦合乙醇预处理22-23
• 2.3.4 样品的酶水解23
• 2.3.5 分析测定方法23-25
• 2.4 结果与讨论25-31
• 2.4.1 硫酸-乙醇预处理最佳实验条件研究25-27
• 2.4.2 氢氧化钠耦合乙醇预处理最佳实验条件研究27-30
• 2.4.3 预处理前后玉米芯的主要成分分析30-31
• 2.4.4 预处理前后玉米芯的酶解得率变化31
• 2.5 本章小结31-34
• 第三章 纤维素酶固定化研究34-46
• 3.1 引言34
• 3.2 材料与方法34-39
• 3.2.1 试剂与仪器35-36
• 3.2.2 实验方法36-39
• 3.3 结果与讨论39-43
• 3.3.1 固定化纤维素酶的制备实验结果分析39-41
• 3.3.2 固定化纤维素酶的性质41-43
• 3.4 本章小结43-46
• 第四章 玉米芯同步糖化发酵研究46-56
• 4.1 引言46
• 4.2 实验材料与设备46-47
• 4.2.1 实验材料46-47
• 4.2.2 主要化学试剂及规格47
• 4.2.3 主要实验仪器及型号47
• 4.3 实验方法47-49
• 4.3.1 原料的预处理47
• 4.3.2 菌种活化47
• 4.3.3 同步糖化发酵47-48
• 4.3.4 分析方法48-49
• 4.4 实验结果与讨论49-54
• 4.5 本章小结54-56
• 第五章 基于非线性动态变化惯性权重PSO同步糖化发酵模拟56-66
• 5.1 引言56
• 5.2 PSO的基本原理56-59
• 5.2.1 标准PSO算法56-58
• 5.2.2 自适应惯性权重PSO算法58-59
• 5.3 同步糖化发酵过程的动力学模型59-62
• 5.3.1 酵母菌生长动力学模型59-60
• 5.3.2 乙醇生成动力学模型60
• 5.3.3 还原糖变化动力学模型60-62
• 5.4 基于非线性动态变化惯性权重的PSO对SSF过程的参数辨识62-64
• 5.4.1 菌体生长模型的参数辨识62-63
• 5.4.2 产物生成模型的参数辨识63
• 5.4.3 还原糖消耗模型的参数辨识63-64
• 5.5 本章小结64-66
• 第六章 结论及展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 研究展望67-68
• 致谢68-70
• 参考文献70-76
• 攻读硕士学位期间的科研成果76

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