农作物秸秆木质纤维素组分分离及高效糖化工艺研究

【摘要】： 针对二十一世纪所面临的能源短缺危机,人们正在努力寻找替代化石燃料的新能源,以降低对不可再生能源的依赖。包括林木、农作物秸秆及农副产品下脚料等在内的纤维素原料是地球上产量最大的可再生资源,在自然生态系统的能量流与物质循环中有重要地位,以木质纤维素为原料制备乙醇是未来乙醇生产的发展方向。本文以玉米芯及四种农作物秸秆为研究对象进行木质纤维素组分的分离,通过对纤维素高效糖化工艺的初步探索,获得纤维素水解糖制备的最适条件,为可再生资源的利用提供参考依据。主要结论如下： 1通过比较次氯酸钠法、乙醇法、碱性双氧水法和氨水法预处理对木质素脱除的效果可知,碱性双氧水对玉米芯中木质素的脱除效率最高；正交试验获得碱性双氧水脱除玉米芯木质素的工艺条件,处理时间对玉米芯木质素脱除率影响显著,其主次关系为：时间双氧水浓度碱浓度；最佳工艺条件为双氧水浓度1.5%,碱浓度0.12 mol.L-1,处理时间6 h,木质素脱除率达78.08%。 2以玉米秸秆、油菜秸秆、棉花秸秆和小麦秸秆为原料进行脱木质素的试验,结果表明,碱浓度0.12 mol.L-1,处理时间6h时,玉米秸秆在2%双氧水浸泡后,木质素脱除率达到最高76.18%；油菜秸秆在1%双氧水浸泡后,木质素脱除率达到最高68.46%；棉花秸秆在1%双氧水浸泡后,木质素脱除率达到最高70.09%；小麦秸秆在1.5%双氧水浸泡后,木质素脱除率达到最高72.25%。采用扫描电镜观察碱性双氧水处理玉米芯和四种秸秆前后的细胞表面结构显示碱性双氧水对秸秆木质纤维素的结构具有疏松作用。 3对不同原料的综纤维素组分中的纤维素、半纤维素进行分离,通过正交试验结果表明：影响纤维素含量的主次因素依次为：温度碱浓度时间固液比。在温度121℃,碱浓度2.5 mol·L-1,固液比1：90条件下,对玉米芯、玉米秸秆、油菜秸秆、棉花秸秆和小麦秸秆的综纤维素分别处理30 min、20 min、20 min、40 min和30 min后,纤维素含量均可达到90%以上。4分别以玉米芯、玉米秸秆综纤维素,油菜秸秆纤维素及其综纤维素,棉花秸秆纤维素,小麦秸秆综纤维素为底物,进行绿色木霉固态发酵试验,发酵后滤纸酶活均高于20 FPU·mL-1,是其相应原料固态发酵后滤纸酶活的1.5至2倍。因此,以上六种物料可以作为生产纤维素酶的原料。 5对玉米芯低酸糖化的正交试验结果显示,温度、时间、温度和时间交互作用对糖化率影响高度显著,其主次关系为温度时间温度与时间交互作用酸浓度；在酸浓度22%,温度121℃处理条件下,玉米芯纤维素、玉米秸秆纤维素和小麦秸秆纤维素糖化40min后,糖化率达到最高,其值分别为98.89%、97.19%,98.46%；油菜秸秆纤维素糖化50min,糖化率达到最大值98.58%；棉花秸秆纤维素糖化60 min,糖化率达到最大值96.25%。以玉米芯纤维素水解糖为碳源,米根霉37℃发酵80 h后,水解糖利用率为葡萄糖的1/3,因此纤维素水解糖可以用于生产乳酸等化工单体。 【关键词】：农作物秸秆 木质纤维素 预处理 分离 糖化 发酵
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 致谢9-15
• 第一章 前言15-25
• 1.1 木质纤维素资源概述15
• 1.2 木质纤维素的结构15-19
• 1.2.1 综纤维素16-18
• 1.2.2 木质素18-19
• 1.3 木质纤维素预处理19-23
• 1.3.1 物理法19-21
• 1.3.2 化学法21-22
• 1.3.3 物理化学法22
• 1.3.4 生物法22-23
• 1.4 木质纤维素分离研究现状23
• 1.4.1 木质素分离研究23
• 1.4.2 半纤维素分离23
• 1.5 本课题研究的目的和意义23-25
• 第二章 木质素的分离25-40
• 2.1 材料和仪器25-26
• 2.1.1 原料25
• 2.1.2 主要化学试剂25
• 2.1.3 仪器与设备25-26
• 2.2 方法26-30
• 2.2.1 检测方法26-29
• 2.2.2 试验方案29-30
• 2.3 结果与分析30-39
• 2.3.1 试验原料的主要成分30-31
• 2.3.2 预处理方法对玉米芯木质素脱除率的影响31
• 2.3.3 影响木质素脱除率的单因素试验结果分析31-34
• 2.3.4 玉米芯木质素脱除率的正交试验34-35
• 2.3.5 四种农作物秸秆原料木质素脱除试验结果35-36
• 2.3.6 农作物秸秆处理前后的扫描电镜图(SEM)36-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 综纤维素组分分离的工艺优化40-54
• 3.1 材料与仪器40-41
• 3.1.1 原料40
• 3.1.2 主要试剂40
• 3.1.3 菌株40
• 3.1.4 Mandels营养液40
• 3.1.5 仪器与设备40-41
• 3.2 方法41-42
• 3.2.1 检测方法41
• 3.2.2 试验方案41-42
• 3.3 结果与分析42-52
• 3.3.1 碱浓度对纤维素与半纤维素分离的影响42-43
• 3.3.2 反应时间对纤维素与半纤维素分离的影响43
• 3.3.3 反应温度对纤维素与半纤维素分离的影响43-44
• 3.3.4 固液比对纤维素与半纤维素分离的影响44
• 3.3.5 纤维素与半纤维素分离正交试验44-46
• 3.3.6 四种农作物秸秆中纤维素与半纤维素分离的优化条件46-48
• 3.3.7 综纤维素、纤维素SEM图48-50
• 3.3.8 预处理对玉米芯和四种农作物秸秆结晶度的影响50-52
• 3.3.9 固态发酵纤维素霉活检测结果52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 纤维素酸解条件优化及发酵产乳酸的初步研究54-63
• 4.1 材料与仪器54
• 4.1.1.原料54
• 4.1.2 主要试剂54
• 4.1.3 仪器与设备54
• 4.2 方法54-56
• 4.2.1 检测方法54
• 4.2.2 试验方案54-56
• 4.3 结果与分析56-62
• 4.3.1 酸浓度对纤维素糖化率的影响56
• 4.3.2 温度对纤维素糖化率的影响56-57
• 4.3.3 时间对纤维素糖化率的影响57
• 4.3.4 固液比对纤维素糖化率的影响57-58
• 4.3.5 玉米芯纤维素酸糖化正交试验58-60
• 4.3.6 四种农作物秸秆纤维素的酸解条件60-61
• 4.3.7 玉米芯纤维素糖化液的发酵结果分析61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 结论与讨论63-66
• 5.1 结论63-64
• 5.2 讨论与展望64-66
• 参考文献66-70

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