木质纤维素预处理与高固含量分批补料酶解糖化研究

摘要

近年来，面对越来越严峻的能源问题及环境问题，燃料乙醇成为了目前最热门的替代能源。木质纤维素，作为地球上最丰富的可再生生物质资源，具有成为燃料乙醇生产原料的潜力。木质纤维素转化为燃料乙醇通常涉及三个步骤：预处理、酶水解和发酵。
　　本文使用一种丰富廉价的植物纤维资源—玉米芯为研究对象，采用两种不同的预处理方法对其进行预处理，并就如何获得高糖浓度水解液进行了研究，具体研究内容和结论如下：
　　（1）为实现玉米芯三大组分纤维素、半纤维素和木质素的有效分离，采用一种温和的甲酸预处理方法对于玉米芯进行预处理，对预处理的四个关键因素（甲酸浓度、催化剂用量、反应温度、反应时间）采用响应面法考察他们对半纤维素的回收效果、木质素的去除率和纤维素的回收率的影响。对实验数据进行回归分析，回归系数（R2）表明二阶模型对实际情况拟合较好。最佳反应条件为：甲酸浓度85％、催化剂用量(v(FA)/v(HCl))185:1、反应温度65℃和时间6h，此时半纤维素糖回收率为87.6％，木质素脱除率为66.3％，剩余的固体中纤维素含量为76.8wt％。
　　（2）采用磷酸-乙醇对玉米芯进行预处理，实现温和条件下玉米芯的各组分的有效分离，考察了磷酸浓度对玉米芯组分分离效果的影响和各项顽抗特性的影响。结果表明：伴随着磷酸浓度的增加，半纤维素和木质素的去除效果增强，结晶度随着磷酸浓度的增加先增加后减小，玉米芯内部的氢键伴随着磷酸浓度的增加呈现增强的趋势，尤其当磷酸浓度到86wt%时，结晶度急剧减小至几乎消失；且颗粒尺寸明显减小，纤维素的纤维结构被完全打破。
　　（3）采用经磷酸-乙醇预处理的玉米芯为原料行酶解反应，最佳的预处理条件为86wt%的磷酸-乙醇预处理，12h的酶解率可以达到96.7%，实现了快速高效酶解。物料衡算得到葡聚糖总回收率为92%，木聚糖总回收率为83.1%，磷酸和乙醇的回收率分别可以达到95.6%和92.1%。为高固含量酶解打下基础，但是直接进行高固含量酶解很难实现。而分批补料酶解可以达到固含量30%，两种加酶方式中，酶伴随着底物加入，更有益于水解过程，最终27h葡聚糖水解率为72%，水解液中葡萄糖浓度为143.5g/L，是一种较合适的短时间高糖浓的水解方法。

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第一章 文献综述

1.1木质纤维素组成及其结构

1.2燃料乙醇的研究意义及发展概况

1.3木质纤维素的预处理方法

1.4木质纤维素酶解糖化

1.5木质纤维素顽抗特性研究

1.6本文研究内容

第二章 玉米芯甲酸-盐酸处理与组分分离

2.1引言

2.2材料和方法

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 玉米芯磷酸-乙醇预处理与结构分析

3.1引言

3.2材料和方法

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 玉米芯高固含量分批补料酶解糖化

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文主要结论

5.2本文主要创新点

5.3展望

参考文献

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