【摘要】：隨著人類文明進(jìn)程的不斷推進(jìn)和全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源的需求和消耗逐年增長。與化石能源相比,木質(zhì)纖維素生產(chǎn)生物乙醇具有來源廣泛、資源可再生及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),有望替代化石能源,成為新能源發(fā)展的重要方向。本文采用玉米芯作為木質(zhì)纖維素原料,系統(tǒng)研究了木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理、酶水解和糖發(fā)酵三個(gè)關(guān)鍵技術(shù),并對相關(guān)工藝進(jìn)行了優(yōu)化,以提高糖及乙醇的轉(zhuǎn)化率,降低生產(chǎn)成本。主要研究內(nèi)容如下:(1)采用酸、堿兩步耦合處理的方法對玉米芯原料進(jìn)行預(yù)處理。首先采用正交試驗(yàn)研究處理溫度、時(shí)間、酸濃度和固液比對原料半纖維素脫除率的影響,確定了最佳酸處理工藝條件:1.0%H_2SO_4、預(yù)處理時(shí)間1 h、固液比1:10(w/v)、處理溫度為120℃。在此條件下,半纖維素的脫除率為88.6%,處理后物料中纖維素的含量從原料的40.6%升高至63.5%;對酸處理后的物料進(jìn)行堿處理,最佳預(yù)處理?xiàng)l件為溫度60℃、時(shí)間2 h、NaOH添加量0.075 g/g底物、固液比1:10(w/v),處理后物料中木質(zhì)素脫除率為88%,纖維素含量增加至74.4%,與原料相比纖維素保留率為94.5%。采用酸、堿兩步耦合預(yù)處理的方法,可以在較溫和的條件下分別溶解半纖維素,脫除木質(zhì)素,得到富集纖維素的物料,同時(shí)可以有效降低稀酸預(yù)處理產(chǎn)生的副產(chǎn)物,消除副產(chǎn)物對酶解及發(fā)酵帶來的消極影響。(2)以酶解效率為指標(biāo),探究了酶解液pH、纖維素酶加載量、底物濃度(固含量)對纖維素酶解率的影響,優(yōu)化了酶解條件,最佳酶解條件為:pH為5.5,酶添加量為15FPU/g,固含量為10%。在此條件下,酸堿耦合兩步預(yù)處理物料酶水解效率(Substrate Enzymatic Digestibility,SED)達(dá)到91%。(3)對兩步耦合處理的原料進(jìn)行分步糖化發(fā)酵法(Separate Hydrolysis an Fermentation,SHF)和同步糖化發(fā)酵法(Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)的乙醇發(fā)酵研究,采用SSF發(fā)酵的乙醇產(chǎn)量達(dá)到52 g/L,優(yōu)于SHF的41.2 g/L。對整個(gè)工藝流程進(jìn)行物料衡算,由SSF產(chǎn)出的乙醇產(chǎn)量為17.8 g/100 g干生物質(zhì),相當(dāng)于原料葡聚糖理論乙醇產(chǎn)量的77.2%。(4)研究非離子型表面活性劑(Tween-80和PEG 6000)、陽離子型表面活性劑(CTMAB)、陰離子型表面活性劑(SXP)對酸處理及兩步耦合處理物料酶解效果的影響,初步探討了其作用機(jī)理。其中非離子型表面活性劑及陰離子型表面活性劑對兩類物料的酶解均有一定的促進(jìn)作用,且酶解率隨表面活性劑濃度的增加而提高。陽離子表面活性劑對兩類物料的酶解均有較強(qiáng)的抑制作用。
【圖文】：

圖 1.1 木質(zhì)纖維素組成和結(jié)構(gòu)[16]Fig. 1.1 Lignocellulose composition and structure不同植物中含有不同的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，表 1.1 列舉幾種不同種類、禾本科）的木質(zhì)纖維素原料中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量[17]。表 1.1 不同木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中組分含量Table 1.1 Different lignocellulosic biomass componentserial葡萄糖Glucose木糖Xylose阿拉伯糖Arabinose甘露糖Mannose木質(zhì)素Lignin（硬木） 38.1 18.3 - 1.2 22.8（軟木） 46.5 8.7 2.4 11.6 29.5秸稈（禾本科） 35.6 18.8 2.8 0.3 12.3秸稈（禾本科） 38.2 22.1 2.3 0.3 23.3 纖維素

圖 1.3 半纖維素結(jié)構(gòu)Fig. 1.3 ThestructureofHemicellulose1.2.3 木質(zhì)素木質(zhì)素廣泛存在于植物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中，主要作用是通過形成交織網(wǎng)來支撐細(xì)胞壁。木質(zhì)素是以苯基丙烷單元結(jié)構(gòu)形成的一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大分子（圖 1.4），形成酚類三維網(wǎng)狀高分子，充斥于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中的微纖之間[25]。這些苯基丙烷單元通過醚鍵或者碳碳鍵，以隨機(jī)方式、非線性的相互連接方式形成，所以不易水解。但是木質(zhì)素中含有大量的酯鍵，在一定的堿性環(huán)境下，木質(zhì)素可以發(fā)生水解。不同種類的生物質(zhì)原料中木質(zhì)素含量且結(jié)構(gòu)不相同，針葉木中主要是愈創(chuàng)木基丙烷，闊葉木中則是愈創(chuàng)木基和紫丁香基丙烷二者皆有，軟木和硬木中木質(zhì)素的含量通常為 20 40%，禾本科中三中結(jié)構(gòu)單元都含有[26]，通常含量在 10  30%。由于木質(zhì)素的存在，使得生物乙醇的生產(chǎn)變得困難，，木質(zhì)素本身不能水解為糖分，
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ223.122;TQ920.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2703303