离子液体预处理玉米秸杆并转化为燃料乙醇一步工艺研究

摘要

木质纤维素转化为乙醇是可再生能源转化过程中研究的热点。本文研究了能溶解纤维素的不同的离子液体对纤维素酶的活性、稳定性的影响,在此基础上,对比研究了玉米秸秆纤维素被所采用的离子液体预处理和转化为乙醇过程的两步工艺和一步工艺。
　　 本文通过研究纤维素酶在离子液体[BMIM]Cl、[AMIM]Cl、[MMIM][Me2PO4]、[EMIM][Et2PO4]和[BMIM][Bu2PO4]存在时的活性和稳定性,发现离子液体的存在对纤维素酶的活性有抑制作用,抑制作用大小顺序为:[BMIM]Cl>[AMIM]Cl>[BMIM][Bu2PO4]>[EMIM][Et2PO4]>[MMIM][Me2PO4];对维持纤维素酶的稳定性的能力顺序相反为:[MMIM][Me2PO4]>[EMIM][Et2PO4]>[BMIM][Bu2PO4]>[AMIM]Cl>[BMIM]Cl。[BMIM]Cl和[AMIM]Cl两种对纤维素溶解效果最好的含氯离子的离子液体对纤维素酶活的抑制作用明显比磷酸酯类离子液体要大很多,对维持纤维素酶的稳定性也更差,它们不适合做一步工艺研究。对于磷酸酯类离子液体,纤维素酶在含有不同浓度的[BMIM][Bu2PO4]的样品中培养3d后剩余酶活与在缓冲液中比较最大为33.7％,相对活性较小,说明其对纤维素酶活的抑制作用较强,不适合做一步工艺研究；纤维素酶在含有较高浓度(>30％)的[MMIM][Me2PO4]或者[EMIM][Et2PO4]的样品中3d后相对剩余酶活均在30％以下,相对活性较小,也不适合做一步工艺研究；纤维素酶在含有10％的[MMIM][Me2PO4]或[EMIM][Et2PO4]的样品中的初始酶活分别是在缓冲液中的71.9％和63.2％,而3d后剩余酶活是各自初始酶活的82.1％和75.3％,表明离子液体在此浓度下对纤维素酶活性影响相对较小,所以适合做纤维素酶水解一步工艺研究。因此在一步工艺初探实验中,选择低的磷酸酯类离子液体含量作为研究对象。
　　 本文通过研究用这3种磷酸酯类离子液体在微波800 W下加热预处理玉米秸秆纤维素并用纤维素酶进行水解的一步工艺和两步工艺,发现在一步工艺中,经[MMIM][Me2PO4]以固液比5％预处理的玉米秸秆纤维素酶水解4d后的水解率是未经处理的2.42倍,经[EMIM][Et2PO4]以固液比2.5％预处理的玉米秸秆纤维素酶水解率是未经处理的1.95倍,而经[BMIM][Bu2PO4]预处理的玉米秸秆纤维素酶水解率都比未经处理的低,说明[BMIM][Bu2PO4]不适合做一步工艺研究；在两步工艺中,经[MMIM][Me2PO4]、[EMIM][Et2PO4]或[BMIM][Bu2PO4]预处理的玉米秸秆纤维素酶水解最高水解率分别是未经处理的3.08、2.25和1.18倍；用离子液体以固液比5％预处理玉米秸秆时,用[MMIM][Me2PO4]预处理92s效果最佳,而用[EMIM][Et2PO4]预处理104s效果最佳。为了使反应经济合理,动力消耗尽可能低,酶水解量也尽可能的高,玉米秸秆粒径选择<1 mm较为合理。存在[MMIM][Me2PO4]或[EMIM][Et2PO4]的葡萄糖发酵溶液,对发酵影响最小的离子液体的含量是[MMIM][Me2PO4]比例为10％,而[EMIM][Et2PO4]则为15％,并且[EMIM][Et2PO4]的比例在15％时,离子液体几乎对酵母发酵无影响。经[MMIM][Me2PO4]以固液比5％预处理并酶水解的玉米秸秆纤维素水解液可直接用来发酵生成乙醇,此时乙醇产量最高。因此[MMIM][Me2PO4]是适合作离子液体预处理并转化玉米秸秆纤维素成燃料乙醇一步工艺路线研究的理想离子液体。而当离子液体的比例增加时,[EMIM][Et2PO4]在发酵过程中影响相对更小,因此,[EMIM][Et2PO4]在一步工艺路线中也有研究的潜力。综合整个实验研究,[MMIM][Me2PO4]是最适合作一步工艺路线研究的离子液体。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章 文献综述

1.1 生物质

1.1.1 生物质能

1.1.2 生物质的化学组成和结构

1.2 生物质能源发展状况

1.3 国内外纤维素燃料乙醇的发展状况

1.4 纤维素的预处理工艺

1.4.1 酸预处理

1.4.2 碱预处理

1.4.3 蒸汽爆破预处理

1.4.4 离子液体预处理

1.5 离子液体在生物催化反应中的应用

1.5.1 离子液体组成与特点

1.5.2 离子液体应用领域

1.5.3 离子液体展望

1.5.4 离子液体在生物催化中的应用

1.6 纤维素酶水解工艺

1.7 本文的选题及研究内容

第二章 纤维素酶在几种离子液体中的活性、稳定性实验

2.1 引言

2.2 实验材料和设备

2.2.1 实验原料与试剂

2.2.2 实验仪器设备

2.3 实验方法

2.3.1 离子液体的制备与表征

2.3.2 DNS法测定酶活力原理及步骤

2.3.3 纤维素酶在离子液体存在下的活性及稳定性实验

2.4 结果和讨论

2.4.1 纤维素酶在离子液体存在下的活性

2.4.2 纤维素酶在离子液体存在下的稳定性

2.5 本章小结

第三章 磷酸酯类离子液体溶解及纤维素酶水解玉米秸秆纤维素一步工艺研究

3.1 引言

3.2 实验材料和设备

3.2.1 实验原料和试剂

3.2.2 实验仪器设备

3.3 实验方法

3.3.1 原料组成成分分析

3.3.2 实验中所用溶液的配制方法

3.3.3 HPLC分析

3.3.4 离子液体预处理及酶水解玉米秸秆纤维素两步工艺实验

3.3.5 离子液体预处理及酶水解玉米秸秆纤维素一步工艺实验

3.3.6 玉米秸秆纤维素酶水解一步工艺优化

3.4 实验的结果和讨论

3.4.1 糖含量标准曲线的测定

3.4.2 玉米秸秆的化学组成成分

3.4.3 经不同离子液体预处理前后的玉米秸秆纤维素酶水解一步和两步工艺酶水解量的比较

3.4.4 经不同离子液体预处理的玉米秸秆纤维素酶水解一步工艺水解率与未经处理的比较

3.4.5 经不同离子液体预处理的玉米秸秆纤维素酶水解二步工艺水解率与未经处理的比较

3.4.6 离子液体预处理及酶水解玉米秸秆纤维素一步工艺预处理优化

3.5 本章小节

第四章 离子液体的存在对葡萄糖发酵的影响

4.1 引言

4.2 实验材料和设备

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验设备

4.3 实验方法

4.3.1 发酵实验

4.3.2 分析方法

4.3.3 实验结果与讨论

4.4 本章小节

第五章 结论与展望

5.1 本文的创新点

5.2 主要结论

5.3 展望

参考文献

致谢