H-AFEX预处理对玉米秸秆木质素结构及酶水解的影响研究

摘要

随着化石能源的日渐枯竭和环境的逐渐恶化，寻找清洁能源越来越成为社会关注的焦点，生物质燃料乙醇作为被认为最有工业应用前景的再生能源之一，得到了广泛的研究。而在生物质燃料乙醇的制备过程中，木质素被认为是主要的障碍。因为木质素的存在导致木质纤维原料存在天然的“顽抗性”，大大的降低了生物质燃料乙醇的转化效率。因此在生物质燃料乙醇的制备时，原材料需经过预处理工艺，有效的预处理能够大大降低木质素在燃料乙醇转化过程中的抑制作用。因而，研究木质素在预处理中的结构变化，能够推动预处理工艺的研究发展。　　本文以玉米秸秆为研究对象，以过氧化氢预处理（H2O2 pertreatment）、氨纤维爆破预处理（Ammonia FiberExpansion Pretreatment,AFEX）以及过氧化氢—氨纤维爆破联合预处理（Hydrogen Peroxide Presoaking Prior to Ammonia Fiber Expansion Pretreatment,H-AFEX）为研究方法，提取不同预处理工艺下的磨木木质素，探究木质素在预处理过程中的结构变化以及木质素对玉米秸秆酶水解的影响。从而为预处理研究工艺的优化以及木质素高效利用提供理论基础。　　论文的主要研究内容及结论如下：　　（1）H-AFEX预处理后木质素的C、H含量降低，N、O含量则有所升高；H-AFEX预处理过程能够使木质素侧链断裂，降低木质素的分子量；木质素中的酯键、烷基醚建、芳基醚键会发生明显的断裂，4 种木质素都为 G（愈创木基） H（对羟苯基）S（紫丁香基）型木质素，G 型木质素在预处理过程中最容易发生降解，木质素中阿魏酸酯和对香豆酸酯发生降解，降解程度随着实验条件的加剧而程度加大。然而预处理过程中，树脂醇、对香豆满和苯环结构较稳定，不易被破坏。　　（2）预处理过程中的木质素的N、O含量变化分别取决于AFEX预处理和H2O2预处理过程；在采用H-AFEX预处理时，能够明显的降低木质素的分子量，其结构相对于未经预处理和单一过氧化氢及 AFEX 预处理木质素更加的均一；预处理过程中木质素中羰基以及酯键的变化主要取决于AFEX预处理；H-AFEX预处理过程中烷基醚键的断裂程度以及 G 型木质素结构的降解程度都要弱于单一的H2O2预处理和AFEX预处理。　　（3）木质素对单一的微晶纤维素酶水解有明显的抑制作用；采用未经预处理玉米秸秆作为酶解底物时，木质素的种类以及不同的木质素添加量，对酶水解的过程的影响较小；当采用经过预处理的玉米秸秆作为酶水解底物时，H-AFEX对玉米秸秆的酶解效率有巨大的提升，相对于未经预处理秸秆，葡聚糖、木聚糖转化率提升110.61%和134.78%，总糖产量提升2.19倍。分子量较低的木质素对酶水解的影响相对要弱即经过高温预处理的木质素对酶水解过程的影响要弱；同时，来自于木质素中高浓度的脂肪族羟基会导致酶水解效率随着木质素添加量的升高而降低；并且木质素对经过预处理玉米秸秆酶水解的影响更强。　　（4）酶解残渣木质素具有相对较高的C、N含量，但是O含量偏低，分子量有大幅的降低，多分散性系数较大，分子量分布较广；酶解木质素中烷基醚键会发生断裂；酶解残渣木质素为HGS型木质素，由于在预处理过程中，主要G型木质素发生降解，S/G的比率增大，S型结构相对含量增多，导致酶解残渣木质素以S型单体为主。酶解残渣木质素中含有相对较低的阿魏酸酯类和对香豆酸酯类结构；酶解残渣木质素热解需要较高的活化能，热稳定性较高，且热解过后焦炭的得率比原材料木质素有所提升，该类木质素在制备生物质炭过程中能有较高的得率，且在制备耐热性环氧树脂和新型阻燃材料上有较高的应用价值。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景

1.1.1木质素的组成及结构

1.1.2木质素分离及分析方法

1.2预处理对木质素结构的影响

1.3研究方法与内容

1.3.1研究方法

1.3.2研究内容

2 H-AFEX预处理玉米秸秆木质素的结构变化研究

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1实验材料与试剂

2.2.2实验装置和仪器设备

2.2.3原材料成分分析

2.2.4H-AFEX预处理

2.2.5MWL木质素的制备及乙酰化

2.2.6木质素的表征方法

2.3结果与讨论

2.3.1原材料的成分分析

2.3.2木质素的得率

2.3.3木质素的元素组成分析

2.3.4木质素分子量结果分析

2.3.5 木质素的结构表征与分析

2.4本章小结

3过氧化氢与AFEX预处理对木质素的协同作用研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1实验原材料与试剂

3.2.2预处理

3.2.3木质素的制备及乙酰化

3.2.4表征方法

3.3结果与讨论

3.3.1木质素的得率

3.3.2木质素的元素组成分析

3.3.3木质素分子量结果分析

3.3.4 木质素的结构表征与分析

3.4本章小结

4 H-AFEX预处理木质素对玉米秸秆酶水解的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1实验材料与试剂

4.2.1酶水解

4.2.2 成分分析

4.3结果与讨论

4.3.1木质素对微晶纤维素酶水解的影响

4.3.2不同木质素对玉米秸秆酶水解的影响

4.3.3木质素添加量对秸秆酶水解的影响

4.4本章小结

5 H-AFEX预处理酶解残渣木质素的结构特性分析

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1实验材料与试剂

5.2.3酶解残渣木质素的制备

5.2.4表征分析方法

5.3结果与讨论

5.3.1木质素的得率

5.3.2组成元素分析

5.3.3分子量的分布

5.3.3木质素的结构表征分析

5.3.4酶解残渣木质素热解特性的分析

5.3.5酶解残渣木质素动力学分析

5.4本章小结

6总结

6.1结论

6.2创新点

6.3展望与建议

参考文献

致谢