玉米秸秆的SPORL法和热水预处理及酶水解研究

摘要

以木质纤维素为原料生产燃料乙醇是生物新能源发展的必然趋势，预处理技术是木质纤维素生物转化燃料乙醇的关键步骤，直接影响着木质纤维素水解效率和乙醇的生产成本。研究开发高效、污染小、成本低的木质纤维素预处理方法对生物燃料乙醇实现工业化具有重大意义。
　　本论文以玉米秸秆为原料，通过对木素溶出率、戊聚糖溶出率和底物酶水解转化率、葡萄糖得率的分析，分别考察了热水法和SPORL法预处理工艺的处理效果，并将二者相结合的预处理效果进行了对比分析。
　　实验首先考察的是热水预处理过程中温度、保温时间和化学助剂对玉米秸秆糖化效果的影响。结果表明:170℃和30min为热水预处理过程中戊聚糖转化回收的最优温度和最佳保温时间;FeCl3的加入能有效促进半纤维素的溶出，当在140℃、30min和FeCl3用量9.75％条件下，戊聚糖溶出率达52.47％，比未加入FeCl3时提高近10倍，底物酶水解转化率和葡萄糖得率显著提高，分别为66.2％和44.32％。
　　SPORL法预处理可以有效提高酶水解转化率与葡萄糖得率，降解木素与半纤维素，但增加硫酸的加入量会明显增加预处理液相中糠醛和HMF的含量。在所考察的范围内，亚硫酸氢钠用量为5％、硫酸用量1.84％、液比1∶4、温度180℃和保温时间20min时，预处理效果较好，但此条件下糠醛和5-HMF的含量分别达到了6.83g/L和2.25g/L;在纤维素酶的用量为10FPU/g、纤维二糖酶1.0CBU/g时，酶水解转化率和葡萄糖得率分别达到了86.31％和80.71％;经过SPORL法预处理的底物酶水解时，纤维素酶用量与所产生的葡萄糖浓度具有较好的线性关系。
　　在上述研究的基础上，对玉米秸秆进行了两段预处理，考察了各段预处理条件的变化对原料中三大组分的溶出率和底物酶水解效果的影响。结果显示:相对于单段热水(170℃、30min)和亚硫酸盐预处理(180℃、3％NaHSO3)，两段相组合的预处理方式对酶水解转化率和葡萄糖得率有显著的提高。当第一段预处理条件为温度140℃、时间30min、FeCl3用量9.75％，第二段预处理条件为温度170℃、时间30min、NaHSO3用量3％时，戊聚糖溶出率最高达66.5％，酶水解转化率达到了90.57％，明显提高了预处理效果，并且降低了预处理强度。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 生物质与燃料乙醇

1．1．1 生物质能源

1．1．2 燃料乙醇

1．1．3 国内外发展现状

1．2 木质纤维素预处理

1．2．1 木质纤维素组成和结构

1．2．2 木质纤维素的物理结构

1．2．3 木质纤维素预处理技术

1．3 木质纤维素原料的酶水解

1．3．1 纤维素酶的组成及其作用机制

1．3．2 纤维素酶水解的影响因素

1．4 SPORL法预处理

1．4．1 SPORL法预处理的特点

1．4．2 SPORL法预处理研究进展

1．5 本论文的研究意义与主要内容

1．5．1 论文研究的意义

1．5．2 论文研究的主要内容

2 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验药品

2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 原料预处理

2．3．2 液相成分分析

2．3．3 固相酶水解

2．3．4 底物成分分析

2．3．5 计算公式

3 结果与讨论

3．1 热水预处理玉米秸秆影响因素的研究

3．1．1 温度对热水预处理效果的影响

3．1．2 保温时间对热水预处理效果的影响

3．1．3 助剂对热水预处理效果的影响

3．1．4 小结

3．2 SPORL法预处理

3．2．1 硫酸用量对预处理效果的影响

3．2．2 亚硫酸氢钠用量对预处理效果的影响

3．2．3 原料尺寸和药品添加方式对SPORL预处理的影响

3．2．4 纤维素酶及其用量对底物酶水解的影响

3．2．5 小结

3．3 热水与SPORL法两段结合预处理

3．3．1 第二段亚硫酸氢钠用量的影响

3．3．2 FeCl3预处理和SPORL预处理结合

3．3．3 几种不同预处理方法相结合效果对比

3．3．4 两段结合预处理物料衡算

3．3．5 小结

4 全文总结

4．1 本论文的主要结论

4．2 本论文的创新之处

5 展望

参考文献

7 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢