棉花秸秆预处理与乙醇化初步研究

【摘要】：能源是人类社会生存和发展的物质基础，它的严重紧缺以及与之相关的环境问题已经受到世界各国的广泛关注，所以利用可再生的生物质原料制备燃料乙醇大势所趋。 我国棉花产量居世界前列，棉花秸秆含有丰富的韧皮纤维和大量的木质纤维素，具有介于木本植物和草本植物之间的特殊植物形态和结构，因此利用棉花秸秆制备燃料乙醇具有很大的开发潜力。利用生物质原料制备燃料乙醇一般分为原料预处理、酶解糖化、乙醇发酵、乙醇分离四部分。由于棉花秸秆木质化程度较高，结构复杂，需要采用适宜的预处理方法以增大木质纤维原料的表面积，提高后期的酶解糖化效率，进而有利于最大化的乙醇发酵。 本研究以棉花秸秆为原料，以预处理秸秆失重率、纤维素及木质素含量为指标，系统对稀酸、稀碱+超声波、稀碱+高压预处理方法进行研究，通过SEM观察、傅立叶变换红外光谱分析技术及X-衍射分析技术对预处理前后秸秆的微观结构进行分析，对不同预处理棉花秸秆进行酶解糖化及乙醇发酵初步试验，取得主要研究结果如下： 稀酸预处理各因素对滤液中木糖含量有显著影响，影响主次顺序为硫酸体积分数＞处理时间＞处理温度。优化预处理条件为处理温度133.5℃、时间2.0h、硫酸体积分数3.5%，预处理滤液中木糖浓度达6.865g/L，秸秆纤维素含量达50.50%，比原秸秆提高了26.73%。SEM观察表明稀酸预处理可以有效打破纤维素的结晶结构，降低木质素的束缚作用，稀酸处理棉花秸秆有一定效果。 稀碱+超声波预处理棉花秸秆时处理时间和氢氧化钠浓度对处理后秸秆中纤维素含量影响极显著，各因素对秸秆预处理效果的影响主次顺序为处理时间＞氢氧化钠浓度＞液固比。优化预处理条件为超声波功率420W，氢氧化钠浓度3.5%、处理时间90min、液固比21:1，预处理后秸秆纤维素含量达58.02%，提高了45.60%。SEM观察表明稀碱+超声波预处理可以破坏木质纤维秸秆的结构，溶出大部分半纤维素和部分木质素，处理效果较好。 稀碱+高压预处理棉花秸秆时各因素对纤维素含量影响主次顺序为处理压力＞氢氧化钠浓度＞处理时间。优化预处理条件为处理压力130kPa、氢氧化钠浓度3.0%、预处理40min，秸秆纤维素含量达64.20%，提高了61.10%。SEM观察表明稀碱+高压预处理可以溶出大部分的半纤维素和木质素，处理棉秆效果显著。 FT-IR分析和X-衍射分析表明经预处理后的棉花秸秆没有新的官能团产生，纤维素晶体类型没有变化，但结晶度有所下降，原致密结构有一定程度破坏。 不同预处理棉花秸秆酶解糖化试验表明，在醋酸钠缓冲液pH=5.0、底物浓度2%、纤维素酶加量550U/g秸秆、120r/min下48℃酶解24h，稀碱+高压处理的棉花秸秆酶解还原糖得率最大，达44.44%，显著高于未处理秸秆（11.47%）。 不同预处理棉花秸秆乙醇发酵试验表明，稀碱+高压处理的棉花秸秆，其酶解液发酵乙醇的得率最大，可达45.96%，显著高于稀酸处理（27.44%）和稀碱+超声波处理（33.17%），比未处理棉花秸秆发酵乙醇含量提高了57.40%。 综上研究表明，利用稀碱+高压预处理棉花秸秆的效果最好，很好地溶解了半纤维素及木质素，破坏了其连接层，纤维素结晶度降低，可使更多的活性基团暴露，有利于后期的酶解糖化及乙醇发酵的进行。 【关键词】：棉花秸秆 稀酸预处理 稀碱+超声波预处理 稀碱+高压预处理 酶解糖化 乙醇发酵
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X712
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 文献综述13-24
• 1.1 前言13-14
• 1.1.1 能源现状13
• 1.1.2 生物质能13-14
• 1.1.3 生物乙醇14
• 1.2 农作物秸秆的资源化14-16
• 1.2.1 农作物秸秆的化学结构14-15
• 1.2.2 农作物秸秆的利用15-16
• 1.2.3 农作物秸秆利用存在问题16
• 1.3 木质纤维原料制备燃料乙醇研究16-22
• 1.3.1 木质纤维原料16-18
• 1.3.2 木质纤维原料预处理18-19
• 1.3.3 木质纤维原料的酶解糖化19-21
• 1.3.4 木质纤维原料发酵乙醇21-22
• 1.4 本研究的内容及目的意义22-24
• 1.4.1 本研究的主要内容22
• 1.4.2 本研究的目的意义22-24
• 第二章 稀酸预处理棉花秸秆条件优化24-35
• 2.1 材料与方法24-29
• 2.1.1 试验材料与试剂24-25
• 2.1.2 主要试验仪器与设备25
• 2.1.3 棉花秸秆稀硫酸预处理方法25-27
• 2.1.4 组分测定27-28
• 2.1.5 棉花秸秆微观结构观察28-29
• 2.1.6 数据统计分析29
• 2.2 结果与分析29-34
• 2.2.1 稀硫酸预处理因素分析29-31
• 2.2.2 稀硫酸预处理条件的优化31-32
• 2.2.3 棉花秸秆结构的微观结构观察32-34
• 2.3 小结34-35
• 第三章 稀碱+超声波预处理棉花秸秆条件优化35-45
• 3.1 材料与方法35-37
• 3.1.1 试验材料与试剂35
• 3.1.2 主要试验仪器与设备35-36
• 3.1.3 棉花秸秆稀碱+超声波预处理方法36-37
• 3.1.4 棉花秸秆组分测定37
• 3.1.5 棉花秸秆微观结构观察37
• 3.1.6 数据统计分析37
• 3.2 结果与分析37-43
• 3.2.1 预处理因素分析37-40
• 3.2.2 Box-Behnken 设计试验结果分析40-43
• 3.2.3 棉花秸秆的微观结构43
• 3.3 小结43-45
• 第四章 稀碱+高压预处理棉花秸秆条件优化45-53
• 4.1 材料与方法45-47
• 4.1.1 试验材料与试剂45
• 4.1.2 主要试验仪器与设备45-46
• 4.1.3 棉花秸秆稀碱+高压预处理方法46-47
• 4.1.4 组分测定47
• 4.1.5 棉花秸秆微观结构观察47
• 4.2 结果与分析47-51
• 4.2.1 稀碱+高压预处理棉花秸秆因素分析47-49
• 4.2.2 Box-Behnken 设计试验结果分析49-50
• 4.2.3 棉花秸秆扫描电镜观察50-51
• 4.3 小结51-53
• 第五章 预处理棉花秸秆的结构、糖化及发酵特性研究53-66
• 5.1 材料与方法53-56
• 5.1.1 试验材料与试剂53
• 5.1.2 主要试验仪器与设备53-54
• 5.1.3 棉花秸秆的预处理54
• 5.1.4 预处理秸秆的酶解糖化54-55
• 5.1.5 乙醇发酵55
• 5.1.6 棉花秸秆组分测定55
• 5.1.7 棉花秸秆微观结构观察55
• 5.1.8 傅立叶变换红外光谱（FT-IR）分析55
• 5.1.9 X-衍射分析55
• 5.1.10 还原糖测定55
• 5.1.11 乙醇测定55-56
• 5.2 结果与分析56-65
• 5.2.1 各预处理棉花秸秆的组成与结构56-60
• 5.2.2 各预处理棉花秸秆的酶解糖化60-64
• 5.2.3 各预处理棉花秸秆的乙醇发酵特性64-65
• 5.3 小结65-66
• 第六章 结论与展望66-69
• 6.1 结论66-67
• 6.1.1 稀酸预处理棉花秸秆条件优化66
• 6.1.2 稀碱+超声波预处理棉花秸秆条件优化66
• 6.1.3 稀碱+高压预处理棉花秸秆条件优化66
• 6.1.4 预处理棉花秸秆的结构、糖化及发酵特性66-67
• 6.2 展望67-69
• 参考文献69-75
• 致谢75-76
• 作者简介76

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