稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究

【摘要】：纤维素生物质作为一种来源广泛、价格低廉的可再生资源,如果被用来生产液体燃料-乙醇,不仅可以减少化石能源的消耗而且可减少汽车尾气中的有害成分,且大量用秸杆生产燃料乙醇可以避免其在农田中大量直接焚烧,这都将大大减少引发全球气候变化的温室气体的排放。本论文主要研究了稻草秸秆的化学、离子液体和羟氧自由基预处理技术,同时对稻草秸秆高浓度底物的同步糖化发酵以及半纤维素水解液的制备和发酵等方面也进行了较为全面的研究。本课题在能源问题和环境问题上均有一定的理论和现实意义。 用稀酸、石灰和氢氧化钠等化学物质对稻草秸秆进行了处理,2% NaOH预处理效果最好,121℃处理1h木质素去除率达到88.9%,同时有38.7%的半纤维素被脱除,处理后的残渣酶解60小时水解率高达96.1%,分离后的碱液可以重复利用2-3次,进而降低预处理的成本。 对氢氧化钠处理的秸秆残渣进行了酶法水解,就其酶解动力学和机制以及酶解条件进行优化。结果表明底物的酶解得率与木质素的去除率有关,纤维素酶系的组成对酶解具有重要的影响,酶系中因纤维二糖酶的不足会造成纤维二糖对整个酶解的反馈抑制,可通过补加纤维二糖酶解除这种抑制；获得的最佳酶解条件为底物浓度80 g/L,纤维素酶加入量20 FPU/g底物,纤维二糖酶12 CBIU/g底物,此时,48 h酶解得率为86.7%。在此最优的条件下,进行3 L反应器实验48 h酶解得率89.3%。 以糖得率并结合红外分析稻草秸秆处理前后结晶指数的变化,筛选得到离子液体[EMIM]OAc,其对稻草秸秆具有较好的溶解特性。对处理秸秆(重生的纤维材料)的性能研究表明,重生的纤维材料由于结晶纤维素向无定型纤维素的转化,更易与酶形成酶与底物复合物,这种酶与底物复合物因酶与纤维素结合更为紧密而起到保护酶的作用,使纤维素酶能耐更高的温度,并在这样的温度下水解纤维素提高酶水解糖得率；通过考察[EMIM][OAc]浓度对纤维素酶的影响,发现[EMIM] [OAc]对纤维素酶具有较大的毒性,[EMIM] [OAc]达到3 M时,酶解液中基本上没有糖。同时,实验结果说明稻草秸秆的水解与木质素的去除和纤维素结晶度在一定范围内存在一定程度的对应关系,且木质素去除率与纤维素的结晶度呈拟合的线性关系。FTIRs、XRD和SEM对[EMIM] [OAc]处理秸秆的结构形态分析表明,稻草秸秆经[EMIM][OAc]处理后有部分纤维素转变为纤维素Ⅱ或无定型纤维素。 稻草秸秆用羟氧自由基处理,在Ox-B浓度、处理温度和液固比等单因素实验的基础上,基于Box-Benhnken中心组合实验设计原理,利用Design-Expert 7.0.0软件进行实验方案设计和数据拟合,得到羟氧自由基处理的最优条件为：Ox-B浓度为21g/L处理温度为57.2℃,液固比为40：1时。模型验证实验还原糖得率为94.5%,与预测值接近,表明实验结果与模型预测结果没有显著性差异。羟氧自由基处理稻草秸秆的效果明显,但是处理的稻草秸秆重量损失比较大。 对稻草秸秆用稀酸稀碱结合处理,获得纤维素含量为88.5%,木质素含量只有4.5%的纤维素含量丰富的底物,用耐高温活性干酵母40℃同步糖化发酵浓度160 g/L的底物,发酵液中乙醇浓度达到58.7 g/L,超过了蒸馏对于纤维素酒精发酵液含量不得低于50 g/L的要求,降低了纤维素酒精蒸馏阶段的能耗；物料平衡衡算的结果是：0.175kg乙醇/kg稻草秸秆(干重)即1kg稻草秸秆(干重)通过稀酸稀碱处理后,残渣同步糖化发酵得到0.125kg乙醇,结合半纤维素水解液的发酵所获得的0.05 kg,总共得到0.175kg乙醇/kg稻草秸秆(干重)。 休哈达假丝酵母(Candida shehatae 1766)木糖发酵的基础研究表明：该酵母在混合糖发酵时会优先利用葡糖糖；在纯木糖和混合糖相同糖浓度对比发酵中,两者乙醇产量和糖利用率没有太大区别,发酵72 h乙醇浓度都为16 g/L左右。休哈达假丝酵母(Candida shehatae 1766)半纤维素酸解液发酵结果表明,该菌株在较低的pH下具有较好发酵性能；对没有经过脱毒处理的半纤维素水解液也具有较好的发酵性能,发酵72 h乙醇浓度达到13.7 g/L。 【关键词】：稻草秸秆 预处理 酶解 离子液体 羟氧自由基 发酵
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 概述11
• 1.2 燃料乙醇的研究意义11-12
• 1.3 国内外燃料乙醇产业发展现状12-13
• 1.4 纤维素生物质生产乙醇的优势13
• 1.5 纤维素生物质制备乙醇的研究13-22
• 1.5.1 纤维素生物质14-15
• 1.5.2 纤维素生物质的预处理15-17
• 1.5.3 新型绿色溶剂离子液体17-19
• 1.5.4 纤维素酶的研究概况19-20
• 1.5.5 纤维素生物质的乙醇发酵20-22
• 1.5.6 乙醇的脱水回收22
• 1.6 本论文的研究内容22-24
• 第二章 稻草秸秆的化学处理24-42
• 2.1 前言24
• 2.2 材料与方法24-28
• 2.2.1 材料与试剂24
• 2.2.2 实验仪器24-25
• 2.2.3 预处理25
• 2.2.4 酶水解25
• 2.2.5 分析方法25-28
• 2.3 结果与讨论28-40
• 2.3.1 稀酸预处理28-30
• 2.3.2 石灰预处理30-31
• 2.2.3 氢氧化钠预处理31-32
• 2.3.4 氢氧化钠和过氧乙酸预处理32-33
• 2.3.5 四种预处理工艺的比较33-35
• 2.3.6 稻草秸秆的酶法糖化35-39
• 2.3.7 批式酶解3L反应器实验39-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第三章 稻草秸秆的离子液体处理42-57
• 3.1 前言42
• 3.2 材料与方法42-44
• 3.2.1 材料与试剂42
• 3.2.2 实验仪器42-43
• 3.2.3 实验方法43-44
• 3.3 结果与讨论44-55
• 3.3.1 离子液体的筛选44-45
• 3.3.2 离子液体处理稻草秸秆的条件45-47
• 3.3.3 离子液体的回收利用47-48
• 3.3.4 稻草秸秆离子液体处理后的性能研究48-50
• 3.3.5 影响稻草秸秆酶解的因素50-52
• 3.3.6 稻草秸秆处理前后结构形貌分析52-55
• 3.4 本章小结55-57
• 第四章 稻草秸秆的羟氧自由基处理57-66
• 4.1 前言57
• 4.2 材料与方法57-58
• 4.2.1 材料与试剂57
• 4.2.2 实验仪器57
• 4.2.3 实验方法57-58
• 4.3 结果与讨论58-65
• 4.3.1 Ox-B处理单因素分析58-61
• 4.3.2 响应面优化Ox-B处理条件61-64
• 4.3.3 模型验证实验64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 稻草秸秆高底物浓度同步糖化发酵66-78
• 5.1 前言66
• 5.2 材料与方法66-67
• 5.2.1 材料与试剂66
• 5.2.2 实验仪器66
• 5.2.3 预处理66-67
• 5.2.4 发酵培养基67
• 5.2.5 纤维物料成分、酶活力、还原糖、单糖和乙醇测定67
• 5.2.6 酶水解67
• 5.2.7 同步糖化发酵67
• 5.2.8 扫描电镜观察秸秆纤维的形态67
• 5.3 结果与讨论67-76
• 5.3.1 稻草秸秆处理前后组成的变化67-68
• 5.3.2 稻草秸秆处理前后的表面形态的变化68-70
• 5.3.3 最大底物浓度的确定70-71
• 5.3.4 两种底物在不同纤维素酶加入量的酶解71-72
• 5.3.5 稻草秸秆不同纤维素酶加入的同步糖化发酵72
• 5.3.6 稻草秸秆不同底物浓度下的同步糖化发酵72-73
• 5.3.7 稻草秸秆不同温度下的同步糖化发酵73-74
• 5.3.8 三种底物在相同纤维素酶加入量的同步糖化发酵74-76
• 5.4 本章小结76-78
• 第六章 假丝酵母利用半纤维素水解液的发酵78-86
• 6.1 前言78
• 6.2 材料与方法78-80
• 6.2.1 材料与试剂78
• 6.2.2 实验仪器78
• 6.2.3 培养基78-79
• 6.2.4 稻草半纤维素稀酸水解液的制备79
• 6.2.5 稀酸水解液的Overliming脱毒与氢氧化钠水解液的制备79
• 6.2.6 种子液的培养79
• 6.2.7 合成培养基与半纤维素水解液的发酵79
• 6.2.8 菌体细胞干重测定79-80
• 6.2.9 还原糖、单糖和乙醇测定80
• 6.3 结果与讨论80-85
• 6.3.1 Candida shehatae 1766发酵乙醇的基础性研究80-83
• 6.3.2 Candida shehatae 1766发酵稻草秸秆稀酸水解液83-85
• 6.4 本章小结85-86
• 论文结论86-87
• 存在的问题与展望87-88
• 创新点88-89
• 致谢89-90
• 参考文献90-102
• 附录:作者在攻读博士学位期间发表的论文102

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

大肠杆菌利用水稻脆性秸秆发酵产乙醇的研究    黄峰

纤维素在离子液体中的均相乙酰化及其选择性    武进;张昊;张军;何嘉松;

1-烯丙基,3-甲基咪唑室温离子液体的合成及其对纤维素溶解性能的初步研究    任强,武进,张军,何嘉松,过梅丽

功能化离子液体对纤维素的溶解性能研究    罗慧谋,李毅群,周长忍

耐碱性真菌纤维素酶生产菌的筛选及酶学性质的初步研究    陈冠军,杜宗军,高培基

我国生物能源产业健康发展的对策思考    曹湘洪;

木质纤维素的预处理及其酶解    计红果;庞浩;张容丽;廖兵;

预处理对稻草秸秆纤维素酶解产糖及纤维素木质素含量的影响    张木明;徐振林;张兴秀;孙远明;

纤维素原料生产燃料酒精的技术现状    孙健,陈砺,王红林

用木质纤维原料生产乙醇的预处理工艺    罗鹏,刘忠

节能型乙醇脱水技术研究进展    赵淑芳;刘宗章;张敏华;

酵母细胞超高浓度乙醇连续发酵振荡行为的研究    申渝

利用丙酮丁醇梭菌进行木质纤维素同步糖化发酵的研究进展    方雪;

微生物发酵法生产2,3-丁二醇瓶颈因素分析    赵恭文;刘建军;李长松;李林;张博;齐军山;

化学预处理对牧草酶解糖化发酵效果的影响    高凤芹;孙启忠;

休哈塔假丝酵母发酵木糖产乙醇的研究    周逢云;汤斌;张庆庆;陈阿娜;翟光雯;陈中碧;

混合菌液态发酵纤维素酶及发酵pH的优化    潘海波;汤斌;张庆庆;陈阿娜;

柠檬酸酸解液离子交换生产工艺研究    满云;

我国发展生物柴油的优势及开发利用方略    田志环;

纤维素酶的蛋白质工程改造的研究进展    黄奋飞;赵菁;林生;林文雄;

利用生物质废弃物生产生物基产品    毛渺浩;刘斌;

白腐菌纤维素酶高酶活菌株的筛选    费尚芬;鹿宁;刘坤;刘毅;

城市绿化垃圾资源化利用和无害化处置技术研究进展    周智慧;毛飞君;赵晓联;

绿液预处理对麦草化学成分及酶水解糖化的影响    黄婷;陆青山;金永灿;谷峰;张厚民;Hasan Jameel;Richard Phillips;李忠正;

慈竹竹黄两步法水解制糠醛    殷艳飞;房桂干;邓拥军;韩善明;焦健;刘姗姗;刘春;

纤维素乙醇生物转化工艺的研究进展    高凤芹;闫志坚;孙启忠;邢启明;

纤维素酶及其在废木质纤维素制可还原糖中的应用    姜晓云;王家德;

纤维素经离子液体[Amim][COOH]预处理酶解糖化    代辉;刘振;夏池;王键吉;

苜蓿生产燃料乙醇研究    邢启明;孙启忠;高凤芹;

稀酸预处理对产紫青霉HBZ003降解蔗渣的影响    王春燕;刘四新;徐行军;陈涛涛;

廊坊市安次区沼气调查与循环农业利用评价    王军;董谦;张桂春;

降解纤维素菌株的筛选和鉴定    季祥;朱玉珍;蔡禄;

双鸭山矿区煤的自燃特性及预防技术基础研究    陈启文

海洋季也蒙毕赤酵母重组菊粉酶及其在产乙醇中的应用    张曈

离子液体—蛋白酶处理对羊毛表面性能的影响    袁久刚

阔叶木生物质精炼两种利用模式的研究    迟聪聪

纸浆污泥纤维素酶水解糖化与增效工艺及机理的研究    吕健

毛竹颗粒表面化学/水热修饰及其增强PVC基复合材料性能表征    王会

新型烷基咪唑离子液体的合成及应用    单海霞

我国粮食供给与需求综合平衡分析    黄宇慧

也门1区块泡沫钻井参数计算与工艺技术研究    张君亚

代谢工程改善工业酒精酵母发酵性能    郭忠鹏

热带地区连续培养亮斑扁角水虻（Hermetia illucens L.）和生物转化猪粪研究    杨森

脆性水稻秸秆的生物预处理及发酵    刘晨娟

一株热带假丝酵母利用木糖生长及其产酒精特性的研究    刘兰杰

蓖麻成熟期胚抑制消减cDNA文库构建及其差异表达基因分析    高艳平

毕赤酵母木糖还原酶的改造及重组酿酒酵母发酵木糖生产乙醇的初步研究    董莉莉

聚氨酯膜预防综放巷道煤层自燃技术的研究    刘超

玉米秸秆预处理及对发酵产氢效果影响研究    曾召刚

汽爆玉米秸秆同步糖化发酵产乙醇的工艺研究    赖智乐

利用农业废弃物混合发酵生产L—乳酸及饲料的初步研究    徐娟娟

稻秸秆提取纤维农用非织造地膜的研究    程士润

生物降解木质素研究新进展    张辉;戴传超;朱奇;杨启银;

水稻脆茎突变体的研究进展    吴超;朱丽;林凤;

白腐真菌降解木质素酶系特性及其应用    李春凤;王力生;

脆性突变水稻细胞壁成分及其超微结构的分析(英文)    苏衍菁;严长杰;王小山;赵国琦;

水稻茎秆性状与抗倒性的关系    杨惠杰,杨仁崔,李义珍,姜照伟,郑景生

水稻脆性突变体研究进展    张水金;郑轶;朱永生;杨东;涂诗航;周鹏;郑家团;黄庭旭;

稀盐酸预处理木质纤维素研究    姚秀清;杨翔华;

NREL法测定木质纤维素原料组分的含量    张红漫;郑荣平;陈敬文;黄和;

7种抑制物对热带假丝酵母木糖醇发酵性能的影响    卫力;经艳;林卫军;蔡爱华;周玉恒;覃香香;张厚瑞;

木质纤维素生物降解机理及其降解菌筛选方法研究进展    王士强;顾春梅;赵海红;

稻草秸秆同步糖化发酵制备纤维素乙醇的研究    刘海臣

木质纤维素转化为生物乙醇过程中关键问题的研究    吕学斌

基于木质纤维素水解液的发酵性丝孢酵母发酵产油脂的研究    黄超

棉纤维素在NMMO中溶解前后结晶结构的变化    刘瑞刚,胡学超,章潭莉

钯-离子液体/钛硅复合氧化物催化剂的合成及在胺羰化中的应用    石峰,马宇春,周瀚成,邓友全

室温离子液体电化学稳定性的研究    杨家振,金一,曹英华,孙立贤,谭志诚

1-烯丙基,3-甲基咪唑室温离子液体的合成及其对纤维素溶解性能的初步研究    任强,武进,张军,何嘉松,过梅丽

功能化离子液体对纤维素的溶解性能研究    罗慧谋,李毅群,周长忍

高分子时代的天然高分子    严瑞芳，胡汉杰，梁锋，宋肇堂

我国木薯现状分析与发展研究    罗培敏

生物产纤维素酶研究进展    刘洁丽;王靖;

天然酵母对木糖利用的研究进展    任佳;颜涌捷;陈明强;王君;

燃料乙醇的生产进展和应用探讨    韩德奇,李伟,张冬捧,徐国英

纤维原料酶水解及酒精发酵的研究    李秋园

秸秆纤维性能    刘洪凤,俞镇慌

焚烧秸秆不可取    王威 ,杜克云 ,王东峰 ,孙现维 ,吴治平 ,牛庆怀 ,杭玉军 ,杜剑 ,王晨标

稻草秸秆半纤维素B的制备方法    

黑曲霉M_1M_(15)M_(19)降解稻草秸秆的试验研究    宋安东,张百良,张世敏,戚元成,张红梅

稻草秸秆硫酸水解研究    黄欢喜;姚茂君;姚柳;

绿色木霉固态发酵稻草秸秆产纤维素酶的研究    林元山;张曙光;梁智群;

粗壮脉纹孢菌液体发酵产纤维素酶的条件优化    吴丹;邓泽元;范亚苇;余玮;

以稻草秸秆为底物制取复合型生物絮凝剂的研究    马放;张惠文;李大鹏;魏利;侯宁;

碱性臭氧预处理对稻草秸秆酶水解的影响    李辉勇;黄可龙;金密;李志光;赵律;

稻草秸秆酶解工艺优化研究    杨青丹;胡婷春;

稻草秸秆组分的高效分离方法研究    都占魁;赵金生;杨正宇;

黑曲霉处理稻草秸秆提高沼气发酵产气率的研究    胡晓明;张无敌;高正卿;何桂源;陈勇;和智明;

不同载体固定高效降解菌去除水体中石油的研究    何丽媛;郭楚玲;党志;

企业造假 带来损失3亿多元 出口解禁 稻草行业重现生机    记者阎平、王振宏

废料建房 冬暖夏凉    记者 关媛媛

3亿元“买”来个“老教训”    新华社记者 阎平、王振宏

姜堰桥头镇年产香菇600万公斤    记者 刘晓东

桥头百名“土造纸”老板改行种香菇    记者 刘林　通讯员 盛杉 玉文 海晨

秸秆板不含甲醛“十二五”产值将上万亿    本刊记者 程晖

玉米加工关键技术获突破    记者 彭溢　见习记者 车轮

草产品 走在产业边上    本报记者 朱冰

全市各地都有烧秸秆    余宽平

走好减少晚播小麦不利影响三步棋    丹珂

稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究    孙万里

稻草秸秆的碱法氧化预处理方法研究    李辉勇

稻草秸秆降解中生物表面活性剂的增效作用及发酵新工艺    张秋卓

稻草秸秆同步糖化发酵制备纤维素乙醇的研究    刘海臣

稻草秸秆超低酸水解机理及水解动力学研究    李自豪

稻草秸秆氨化的机理研究及参数优化    杨游

室温条件下混菌发酵稻草秸秆的降解研究    李明轩

稻草秸秆的辐照改性及其对MO，SO_4~(2-)的吸附性能的研究    张杰

稻草秸杆纤维素生产酒精工艺技术条件探索    戴红霞

秸秆降解菌的诱变筛选及降解效果研究    邵喜霞

稻草纤维和废蚕丝非织造布农用地膜的研制与性能研究    缪宏超

稻草秸秆基活性炭的制备与应用    韩彬

生物转化农业副产物及其产酶研究    杜姗姗

稻草同时糖化发酵制酒精的影响因素研究    符志磊