CaO2/Fe2+体系预处理对生物质特性及其酶解产糖作用的研究

摘要

近年来，为有效解决能源危机，开发可再生能源代替不可再生能源已经成为全球研究的热点之一。生物乙醇作为可再生的生物质能源，因原料广、成本低等特点，受到能源研究者的广泛关注。生物质作为制造生物乙醇的重要原料，因其结构复杂，故此在使用过程中首先需要对其进行预处理才能保证后续高效利用。现今预处理的手段多种多样，Fenton体系可以有效预处理生物质，使其中的纤维素更易于转变为乙醇，但H2O2是一种不稳定的强氧化剂，在作用于生物质的同时过度发生自身分解，使之作用效率下降。使用CaO2代替H2O2形成CaO2非均相类Fenton体系处理生物质，不仅可以破坏生物质固有结构，还可以改变生物质化学组分，改变结晶度，提高酶可及性，提高酶解作用效果。
　　本文选取凤眼莲、甘蔗渣、空心莲子草和棉杆4种生物质原料，使用CaO2/Fe2+体系进行预处理，以4种生物质原料作对照，分别进行CaO2/Fe2+摩尔比、预处理时间和温度单因素实验，通过酶解还原糖产量、糖转化率和组成成分的变化，筛选出最优化的预处理条件，并在单因素实验的基础上，设置3因素4水平的正交实验对4种生物质样品进行预处理，使用统计分析优化实验方案，最终测定在单因素最优预处理条件下和正交实验最优预处理条件下对生物质样品的官能团变化和结晶度变化的影响。主要得出如下结果:
　　(1)CaO2/Fe2+体系预处理生物质可以破坏生物质组成成分以及结构，有效提高酶解产糖效果。其中单因素实验下，凤眼莲、甘蔗渣、空心莲子草和棉杆的预处理最优化预处理条件分别为CaO2/Fe2+摩尔比8∶1，温度35℃，预处理72h;CaO2/Fe2+摩尔比4∶1，温度45℃，预处理时间96h;CaO2/Fe2+摩尔比4∶1，温度25℃，预处理72h和CaO2/Fe2+摩尔比8∶1，温度为35℃，预处理72h。在最优预处理条件下，凤眼莲、甘蔗渣、空心莲子草和棉杆4种生物质样品的还原糖产量分别可以达到对应原料还原糖产量的43倍、15倍、3倍和45倍，而基于原料的还原糖转化率分别可以达到原料的17倍、9倍、2倍和44倍。
　　(2)正交实验结果显示，4种生物质样品的影响因素中CaO2/Fe2+摩尔比为主要影响因素，预处理时间和温度为次要影响因素。同时正交实验的最优预处理条件与单因素实验中的最优预处理条件不一致，这表明生物质在预处理过程中单因素实验不具有全面性。
　　(3)CaO2/Fe2+体系预处理不仅能够通过破坏生物质结晶区和无定形区结构，改变生物质相对结晶度指数，同时，结晶度指数的变化主要与生物质结晶区和无定形区的去除程度有关。该体系也可以破坏生物质官能团中的化学键，达到破坏生物质结构的目的。
　　(4)4种生物质原料在CaO2/Fe2+体系预处理后，经过酶解72h半纤维素去除率和木质素的去除率与酶解72h还原糖产量大致呈现正相关关系。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 当前世界能源状况及发展趋势

1．2 生物质能源的利用及研究进展

1．2．1 生物质能源概述

1．2．2 生物质能源的更新替代

1．2．3 生物质能源主要利用途径

1．2．4 生物质能源现存的问题

1．3 生物质原料的组成成分

1．3．1 纤维素

1．3．2 半纤维素

1．3．3 木质素

1．4 木质纤维素预处理

1．4．1 预处理的目的

1．4．2 预处理的方法

1．5 生物质的酶解及作用机理

1．6 CaO2预处理体系对生物质研究现状

1．7 课题研究背景、意义、内容及技术路线

1．7．1 课题研究背景与意义

1．7．2 研究内容

1．7．3 技术路线

2 不同单因素预处理对生物质特性及酶解产糖效果的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 单因素实验设计

2．2．3 样品的酶解

2．2．4 还原糖产量的测定

2．2．5 样品组成成分测定

2．2．6 样品的结构表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同单因素预处理条件对生物质组成成分的影响

2．3．2 不同单因素预处理条件对生物质固体回收率的影响

2．3．3 不同单因素预处理条件对生物质酶解产糖效果的影响

2．3．4 最优条件下预处理对生物质结晶度的影响

2．3．5 最优预处理条件下生物质官能团的变化

2．3．6 生物质酶解还原糖产量与主要组成成分去除率的关系

2．4 本章小结

3 正交设计下的预处理对生物质特性及酶解产糖效果的影响

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 正交实验设计

3．2．3 酶解及还原糖产量的测定

3．2．4 化学组成成分的测定

3．2．5 样品的结构表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 正交实验对生物质酶解还原糖产量的影响

3．3．2 最优预处理条件下生物质组成成分的变化

3．3．3 最优预处理条件下生物质结晶度指数的变化

3．3．4 最优预处理条件下官能团的变化

3．4 本章小结

4 全文总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

在读期间发表论文情况

致谢