超声波辅助生物催化降解木质纤维素制燃料乙醇的研究

摘要

经济社会的发展以能源为重要动力，随着化石能源日益枯竭，开发新能源成为全人类迫在眉睫的任务。生物质能源具有分布广泛、储量庞大、再生速度快的优点，必将替代化石能源成为未来能源化工的主要发展方向。 以木质纤维素为原料制备乙醇是生物质能源化利用的热点技术，该技术旨在利用农业秸秆、城市垃圾等木质纤维素原料经过加工得到乙醇。木质纤维素结构复杂，必须经过处理使其降解成为小分子糖才能被微生物所利用发酵制得乙醇。生物降解具有能耗低、无污染的优势，是较有发展前景的木质纤维素降解手段。本论文以生物酶降解木质纤维素为核心技术，研究了超声波辅助预处理技术以及复合酶催化技术，对相关技术参数及影响因素进行分析探讨。 超声波微观空化作用可以改变材料结构、促进传质。本论文在预处理技术研究中重点考察了超声波的作用效果，对不同木质纤维素原料预处理技术进行比较。超声波辅助碱水解预处理优于其它几种预处理方式，超声作用降低了碱水解预处理的工艺要求，增强其处理效果，有效脱除原料中的木质素的同时保留绝大部分纤维素和半纤维素；该工艺原料分解率为24.1％，纤维素损失率为7％，半纤维素损失率为14.8％，木质素脱除率为43.3％，纤维素酶催化反应48 h糖化率为45.6％。 本论文采用80 W，20 KHz超声波辅助酶催化反应进行，由改性纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶和戊聚糖酶构成的复合酶催化降解碱预处理得到的木质纤维素原料。酶催化适宜反应条件为：55℃、pH值6.0、180 rpm、48 h、酶用量1％、固液比为1:15。此法与单酶催化相比酶催化效率从22.8％提高至68.5％。实验证明对于降解木质纤维素原料，超声波对酶催化反应有较强促进作用，80 W超声场下，纤维素酶催化效率提高了70％；添加β-葡萄糖苷酶和戊聚糖酶有效提高了纤维素酶的作用效率。 使用酒精酵母对酶催化木质纤维素降解所得糖液进行发酵，一级种子液培养22小时，接种量5％，发酵液糖浓度为10％，发酵12 h。 本论文研究所得天然木质纤维素生产燃料乙醇工艺路线的燃料乙醇产率为11.9％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1能源问题与生物质利用

1.1.1能源问题现状

1.1.2生物质能源的开发利用

1.2燃料乙醇的制备现状

1.3木质纤维素与纤维素酶

1.3.1天然木质纤维素

1.3.2纤维素酶

1.4木质纤维素生产燃料乙醇的技术

1.4.1原料预处理技术

1.4.2木质纤维素的水解糖化

1.4.3酒精发酵工艺

1.4.4纤维素燃料乙醇制备现存主要问题

1.5本论文的研究内容及意义

第二章木质纤维素原料预处理技术的研究

2.1实验试剂与仪器

2.2实验部分

2.2.1分析方法

2.2.2预处理技术的研究

2.3结果与讨论

2.3.1分析方法

2.3.2超声波直接预处理木质纤维素原料

2.3.3超声波辅助碱水解预处理技术

2.3.4超声波辅助酸水解预处理技术

2.3.5预处理技术的比较和筛选

2.4本章小结

第三章糖化及发酵技术的研究

3.1实验原料和实验仪器

3.2实验部分

3.2.1乙醇含量的测定

3.2.2纤维素酶改性及复合酶制剂的制备

3.2.3复合酶催化木质纤维素原料糖化技术的研究

3.2.4超声波辅助生物酶催化木质纤维素原料糖化

3.2.5燃料乙醇发酵实验

3.3结果与讨论

3.3.1乙醇标准曲线

3.3.2改性纤维素酶的性能

3.3.3复合酶催化木质纤维素原料糖化的研究

3.3.5糖液发酵制乙醇实验

3.4本章小结

第四章纤维素酶催化降解木质纤维素机理

4.1木质纤维素原料化学组成与结构

4.2纤维素酶的分子结构及作用机理

4.2.1纤维素酶的分子结构

4.2.2纤维素酶降解机制

4.2.3纤维素酶在固体底物表面的吸附与脱吸

4.2.4 产物对纤维素酶的抑制作用

第五章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录

致谢