等离子体预处理强化麦秸酶解产糖研究

摘要

在全球能源短缺资源匮乏的严峻局势下，对废弃生物质这一巨大资源的利用刻不容缓。但目前的技术手段难以作用于结构致密的生物质，有效分离并利用生物质中的纤维素、半纤维素和木质素资源。然而，经济有效的预处理手段是有效回收利用生物质的必要前提。近年来，低能耗、高活性且环境友好型的大气压低温等离子体在废弃生物质预处理应用上表现出较明显的强化效果，促进生物质资源化与回收利用，受到广泛关注。作为一种新型预处理方式，其作用机制仍不清楚，强化效果及能耗效率与诸多因素相关，包括等离子体反应器及工况、生物质类型及特性等，这些都是其转化为面向生产应用的生物质预处理技术的关键基础问题。围绕这些基础问题，本文针对大气压低温等离子体预处理小麦秸秆，开展了以下研究内容：　　设计了基于针-板放电的大气压低温等离子体发生装置，分别以钨针和导电棉作为高压电极和接地极，48孔板为样本台；驱动装置为实验室自制脉冲电源，工作气体为环境空气或由导管通入气体。　　探究预处理参数对秸秆酶解产糖的影响趋势，并寻找等离子体预处理秸秆的最佳实验参数。本文得到的最佳预处理参数是小麦秸秆过60目，呈50%湿度状态，经22kV电压幅值，200Hz频率的负极性脉冲电压，在5mm放电间距，静止空气作为工作气体的放电条件下，预处理30分钟。相对于对照组19%，预处理后秸秆还原糖产率增加到40%。　　探究等离子体预处理模型化合物木质素产生的理化特性影响是否与小麦秸秆一致。实验发现，等离子体均提高两者溶解性能，引入含氧官能团并破坏两者阻碍酶解的顽抗性结构。但预处理前后木质素与微晶纤维素混合酶解实验发现，预处理后木质素对纤维素酶解过程的抑制作用并无明显改善。　　预处理前后秸秆理化特性检测发现，等离子体预处理显著破坏小麦秸秆表面光滑致密程度。但对于秸秆化学性质的改变程度十分微弱，这一点主要体现在元素和组分含量的微量变化。　　为探究等离子体预处理强化秸秆酶解产糖的作用机制，结合辐射光谱诊断以及秸秆样本分析，发现等离子体预处理湿润秸秆而导致的酸化效应微弱，同时热效应、电场效应、紫外辐射均非预处理强化秸秆产糖的主要诱因，放电的高化学活性才是提高预处理后秸秆样本酶解产糖的关键因素。处理过程中湿润秸秆表面形成的强氧化性成分，尤其是OH自由基，以及空气放电产生的活性氮成分吸附秸秆颗粒表面，对秸秆中的抗降解结构产生破坏，从而促进秸秆与酶的结合，提高秸秆酶解产糖效率。

目录

1 绪论

1.1 木质纤维素生物质

1.2 生物质利用背景及意义

1.3 国内外生物质预处理研究现状

1.3.1 传统生物质预处理技术

1.3.2 大气压等离子体预处理生物质

1.4 大气压介质阻挡放电

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 创新点

2 针-板放电预处理小麦秸秆

2.1 预处理放电装置

2.2.1 放电图像拍摄

2.2.2 电源的发射光谱测量

2.2.3 功率计算

2.3.1 实验仪器

2.3.2 实验药品及材料

2.3.3 实验方法

2.4.1 粒径及湿度影响

2.4.2 脉冲电压幅值影响

2.4.3 距离影响

2.4.4 气流和电源极性影响

2.4.5 预处理时间

2.4.6 电源频率影响

2.4.7 预处理参数的耦合现象

2.4.8 正交试验

2.5.1 酶解时长影响

2.5.2 酶用量及酶的种类影响

2.5.3 底物与酶解液比值

2.6 本章小结

3 针-板放电预处理模型化合物

3.1 模型化合物选取

3.2 木质素溶解度变化

3.3 预处理后木质素官能团变化

3.4 木质素与纤维素混合酶解实验

3.5 本章小结

4 秸秆样本理化分析及强化酶解产糖机理

4.1.1 组份检测

4.1.2 SEM检测

4.1.3 红外光谱

4.1.4 元素分析

4.1.5 液相色谱

4.2.1 预处理过程单因素影响分析

4.2.2 等离子体化学活性作用机理分析

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 后续工作与展望

参考文献

附录

A. NREL组分检测方法

B. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

C. 攻读硕士学位期间承担和参加的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢