【摘要】：石油和煤等傳統(tǒng)化石燃料的過(guò)度使用和日益消耗引發(fā)了能源緊張、CO_2過(guò)量排放和環(huán)境污染等問(wèn)題,促使人們重視開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能等新的可持續(xù)的能源系統(tǒng)。生物質(zhì)能是一種來(lái)源于地球上有機(jī)碳的綠色、碳中性的能源,已經(jīng)發(fā)展了兩代:第一代生物燃料主要是由糖類、淀粉、可食用植物油等產(chǎn)生的生物乙醇和生物柴油;然而對(duì)于第二代生物燃料而言,其關(guān)鍵是體現(xiàn)在通過(guò)木質(zhì)纖維素生產(chǎn)葡萄糖、木糖等可發(fā)酵糖上。充分利用木質(zhì)纖維素的各個(gè)組成成分(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素),尋求高效低損失的預(yù)處理手段,制備環(huán)境友好、高效、重復(fù)性好的催化劑仍然是現(xiàn)階段木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化利用研究的瓶頸問(wèn)題�；诖吮尘�,本論文開(kāi)展了以下三方面的研究工作,得到了相應(yīng)的結(jié)果:(1)制備和優(yōu)化新的碳基磁性固體酸。以葡萄糖和納米Fe_3O_4為原料,經(jīng)超聲波輔助分散、熱解碳化和磺化(濃硫酸)制備獲得碳基磁性固體酸C-S03H/Fe3O4。以球磨24 h后的纖維素在高壓反應(yīng)釜的水解反應(yīng)為指標(biāo),通過(guò)葡萄糖/Fe_3O_4質(zhì)量比、熱解碳化的溫度和時(shí)間、磺化的溫度和時(shí)間等因素對(duì)催化劑制備進(jìn)行優(yōu)化,在纖維素水解反應(yīng)過(guò)程中,分別對(duì)催化劑的活性和重復(fù)使用性進(jìn)行研究。結(jié)果表明,催化劑制備的最佳條件為葡萄糖/Fe_3O_4質(zhì)量比6/1,碳化溫度700℃,碳化時(shí)間1 h,磺化溫度150℃,磺化時(shí)間19 h。所得催化劑C-S03H/Fe_3O_4 的酸度為 0.75 mmol/g(NaOH 滴定法),磁飽和度為 19.5 Am2 kg-1。催化劑在180℃水解球磨纖維素3 h,葡萄糖的產(chǎn)率和選擇性分別達(dá)到18.3%和46.6%。利用3次催化劑重復(fù)水解實(shí)驗(yàn),證明催化劑具有良好的穩(wěn)定性。(2)碳基磁性固體酸在微波條件下水解植物廢棄物。對(duì)纖維素原料進(jìn)行球磨預(yù)處理,然后利用制備獲得的C-S0_3H/Fe_3O_4為催化劑,對(duì)預(yù)處理后的原料在微波條件下進(jìn)行水解,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)(溫度、時(shí)間、纖維素和催化劑質(zhì)量比以及水和催化劑質(zhì)量比)對(duì)水解條件進(jìn)行考察研究,然后在推薦的水解條件下催化水解木質(zhì)纖維素原料(甘蔗渣、小桐子果殼和星油藤果殼)生產(chǎn)可發(fā)酵糖,并考察球磨、水萃取和水-乙醇萃取預(yù)處理對(duì)三種植物廢棄物水解的影響。結(jié)果表明,催化劑有良好的反應(yīng)穩(wěn)定性,循環(huán)反應(yīng)7次后球磨纖維素水解生產(chǎn)總還原糖和葡萄糖的得率始終維持在20%和15%左右,催化劑的回收率始終維持在92.8%。在微波反應(yīng)器中,以下四個(gè)條件下:190℃、纖維素/催化劑質(zhì)量比9/50以及水和催化劑的質(zhì)量比75/1的,以C-SO_3H/Fe_3O_4為固體催化劑催化甘蔗渣、小桐子果殼和星油藤果殼的水解反應(yīng)。對(duì)于水解產(chǎn)糖率而言,甘蔗渣高于小桐子果殼和星油藤果殼,甚至更優(yōu)于球磨纖維素,這主要是由于木質(zhì)-纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)和小桐子果殼、星油藤果殼中高含量可萃取成分的影響。通過(guò)球磨預(yù)處理手段使纖維素的結(jié)晶度降低,通過(guò)水-乙醇萃取方式移除抑制成分,對(duì)木質(zhì)纖維素的水解產(chǎn)生了積極的影響。甘蔗渣、小桐子果殼和星油藤果殼產(chǎn)葡萄糖的得率和選擇性在球磨后分別提高了約20.0%和17.8-18.3%。甘蔗渣,其葡萄糖的得率和選擇性分別提高了 14.1%和15.6%;水-乙醇萃取預(yù)處理后的小桐子果殼和星油藤果殼;其葡萄糖的得率和選擇性得到了更大程度的提高,分別增加了 33.3-45.5%和25.5-35.9%。(3)NaOH-冷凍預(yù)處理用于植物廢棄物同步稀酸水解產(chǎn)糖。在-18℃溫度下以及NaOH堿溶液中,分別甘蔗渣、小桐子果殼和星油藤果殼等原料經(jīng)進(jìn)行堿-冷凍預(yù)處理;然后在微波條件下,利用稀硫酸對(duì)預(yù)處理之后的樣品一步水解生產(chǎn)可發(fā)酵糖。結(jié)果表明,NaOH濃度對(duì)預(yù)處理所得木質(zhì)纖維素的回收率和化學(xué)組成有顯著影響。低濃度NaOH溶液預(yù)處理主要脫除木質(zhì)素,而使用高濃度NaOH溶液(3 wt%)的預(yù)處理導(dǎo)致了纖維素和半纖維素的嚴(yán)重?fù)p失。NaOH-冷凍預(yù)處理可以破壞纖維素的頑抗結(jié)構(gòu),顯著降低纖維素水解嚴(yán)苛的反應(yīng)要求,從而促成纖維素和半纖維素的同步水解,產(chǎn)糖的收率和選擇性也成倍提高。甘蔗渣經(jīng)過(guò)3 wt%NaOH-冷凍預(yù)處理后,微波條件下水解所需的反應(yīng)溫度顯著降低(140 vs.160℃),反應(yīng)時(shí)間明顯縮短(30 v5.60 s),硫酸濃度要求也有所降低(0.4 vs.0.5 mmol/L)。和未處理的原料相比,經(jīng)過(guò)3 wt%NaOH-冷凍預(yù)處理后的甘蔗渣、小桐子果殼和星油藤果殼,其纖維素和半纖維素的產(chǎn)糖率迅速提高了 2.1-2.4倍和59.3-81.5%。綜上,易于回收的碳基磁性固體酸催化劑(C-SO_3H/Fe_3O_4),可以以葡萄糖和納米Fe3O4為原料,通過(guò)簡(jiǎn)單物理包裹、高溫碳化和磺化方法制備得到。在纖維素水解反應(yīng)中,催化劑表現(xiàn)出良好的催化活性和反應(yīng)穩(wěn)定性。球磨和水-乙醇預(yù)處理對(duì)改善木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)糖的得率和選擇性有顯著的效果。通過(guò)NaOH-冷凍預(yù)處理,使木質(zhì)纖維素的頑抗結(jié)構(gòu)得以破壞,從而實(shí)現(xiàn)纖維素和半纖維素的同步水解,并成倍提高木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)糖的得率和選擇性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ426;TQ281

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 譚紅梅;;松樹木質(zhì)纖維素多糖水解新工藝[J];生物質(zhì)化學(xué)工程;1983年10期

2 周秀琴;;微波照射能提高木質(zhì)纖維素的酶糖化率[J];江蘇食品與發(fā)酵;1985年02期

3 戈蘇國(guó);木質(zhì)纖維素的微生物降解[J];生物工程進(jìn)展;1989年05期

4 宋杰;’96國(guó)際纖維素及木質(zhì)纖維素學(xué)術(shù)會(huì)議在廣州召開(kāi)[J];林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè);1996年03期

5 楊禮富,謝貴水,王真輝,林位夫;木質(zhì)纖維素酶高產(chǎn)菌株的篩選和鑒定[J];熱帶作物學(xué)報(bào);2001年03期

6 文新亞;李燕松;張志鵬;王璞;;酶解木質(zhì)纖維素的預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展[J];釀酒科技;2006年08期

7 楊曉宸;盧雪梅;黃峰;;木質(zhì)纖維素微生物轉(zhuǎn)化機(jī)理研究進(jìn)展[J];纖維素科學(xué)與技術(shù);2007年01期

8 趙律;李志光;李輝勇;謝磊;周智;;木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展[J];化學(xué)與生物工程;2007年05期

9 侯艷梅;蔣立文;江均平;林海軍;;利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)L-乳酸的研究[J];農(nóng)產(chǎn)品加工(學(xué)刊);2007年11期

10 李祖明;李鴻玉;厲重先;劉雪崢;張洪勛;;纖維素酶轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的研究進(jìn)展[J];農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè));2008年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 呂睿瑞;田寶玉;黃建忠;;天然木質(zhì)纖維素降解相關(guān)酶的宏蛋白質(zhì)組學(xué)分析與鑒定[A];華東六省一市生物化學(xué)與分子生物學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2010年

2 馮玉杰;李冬梅;張秋桌;;混合菌群用于木質(zhì)纖維素糖化的實(shí)驗(yàn)研究[A];中國(guó)資源生物技術(shù)與糖工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2005年

3 楊世關(guān);李繼紅;孟卓;鄭正;;木質(zhì)纖維素原料厭氧生物降解研究進(jìn)展[A];中國(guó)農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會(huì)第四屆全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)新農(nóng)村、新能源、新產(chǎn)業(yè)論壇生物質(zhì)開(kāi)發(fā)與利用青年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2006年

4 陳洪章;;木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化過(guò)程共性問(wèn)題與秸稈酶解發(fā)酵燃料乙醇研究進(jìn)展[A];第三屆全國(guó)化學(xué)工程與生物化工年會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告[C];2006年

5 陸堅(jiān);韋宇拓;黃日波;;利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的代謝工程研究進(jìn)展[A];第三屆全國(guó)化學(xué)工程與生物化工年會(huì)論文摘要集（上）[C];2006年

6 談敦禮;馬艷萍;李琰;;木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇所需原料的可生產(chǎn)性與成本分析[A];甘肅省化學(xué)會(huì)第二十七屆年會(huì)暨第九屆甘肅省中學(xué)化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文摘要集[C];2011年

7 葉儉慧;梁月榮;;茶梗木質(zhì)纖維素選擇性吸附茶兒茶素類及其機(jī)理研究[A];經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新——第十二屆中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)（第二卷）[C];2010年

8 王鵬;謝益民;范建云;楊志勇;;木質(zhì)纖維素—聚氨酯共聚型高強(qiáng)度功能紙的研究[A];'2005（第十二屆）全國(guó)造紙化學(xué)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2005年

9 姜曉云;王家德;;纖維素酶及其在廢木質(zhì)纖維素制可還原糖中的應(yīng)用[A];2009全國(guó)可再生能源—生物質(zhì)能利用技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2009年

10 鄧敏;徐惠娟;鄔小兵;胡忠;龍敏南;;曲霉纖維素酶與木質(zhì)纖維素糖化的研究[A];華東六省一市生物化學(xué)與分子生物學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要匯編[C];2008年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前6條

1 李華;利用木質(zhì)纖維素緩解能源短缺[N];中國(guó)包裝報(bào);2004年

2 ;緩解能源短缺的新途徑[N];中國(guó)化工報(bào);2003年

3 記者 王夕;用白蟻造能源 并非天方夜譚[N];北京科技報(bào);2011年

4 生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任 蘇志國(guó);生物化工技術(shù)聚焦三大領(lǐng)域[N];中國(guó)化工報(bào);2003年

5 記者 袁新文 通訊員 王琪瓏;山東大學(xué)實(shí)現(xiàn)“211工程”建設(shè)目標(biāo)[N];光明日?qǐng)?bào);2001年

6 本報(bào)記者 張立君;棉稈和稻殼的價(jià)值新發(fā)現(xiàn)[N];中國(guó)建材報(bào);2005年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 季蕾;新型木質(zhì)纖維素復(fù)合酶系協(xié)同降解效果及機(jī)理研究[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

2 熊莉麗;木質(zhì)纖維素優(yōu)勢(shì)降解菌株的酶學(xué)特性及其產(chǎn)物研究[D];西南交通大學(xué);2014年

3 安艷霞;基于膽堿離子液體的木質(zhì)纖維素預(yù)處理、酶解及其機(jī)制的研究[D];華南理工大學(xué);2016年

4 崔凱龍;鼠李糖脂構(gòu)建逆膠束中木質(zhì)纖維素酶特性分析及其純化研究[D];湖南大學(xué);2015年

5 危臻;基于木質(zhì)纖維素生物煉制廢物的微生物油脂生產(chǎn)及其機(jī)理研究[D];湖南大學(xué);2015年

6 潘艷飛;木質(zhì)纖維素基磁性中空復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

7 翟睿;基于低溫堿脲體系高濃凝膠化作用的木質(zhì)纖維素纖維性能的研究[D];南京林業(yè)大學(xué);2016年

8 王旭;樹干畢赤酵母中參與木質(zhì)纖維素水解液中醛類抑制物脫毒相關(guān)酶基因的克隆、表達(dá)及活性分析[D];四川農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

9 蘇同超;碳基磁性固體酸催化劑的制備及用于植物廢棄物水解產(chǎn)糖[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

10 顧翰琦;生物煉制過(guò)程中木質(zhì)纖維素解聚與菌株抗逆性的研究[D];華東理工大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 袁雨;兩種氧化預(yù)處理下不同植物生物質(zhì)基質(zhì)特性及酶解產(chǎn)糖差異研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

2 劉藝;降解木質(zhì)纖維素的嗜熱霉菌和放線菌的篩選及其培養(yǎng)基的優(yōu)化[D];山西大學(xué);2015年

3 程姣;未來(lái)能源植物品種篩選及評(píng)價(jià)體系建設(shè)[D];北京化工大學(xué);2015年

4 劉黎陽(yáng);基于瞬間彈射蒸汽爆破的預(yù)處理工藝開(kāi)發(fā)[D];大連理工大學(xué);2015年

5 熊福全;不同預(yù)處理?xiàng)l件對(duì)檸檬桉木質(zhì)纖維素膜性能的影響[D];安徽農(nóng)業(yè)大學(xué);2014年

6 尚亞平;木質(zhì)纖維素高效預(yù)處理與酶回收工藝研究[D];天津大學(xué);2014年

7 劉曄;以三種木質(zhì)纖維素為碳源發(fā)酵產(chǎn)D-乳酸的研究[D];湖北工業(yè)大學(xué);2016年

8 張義轉(zhuǎn);木質(zhì)纖維素的液化和吸附性能[D];福州大學(xué);2014年

9 李夏潔;輻照處理木質(zhì)纖維素中發(fā)酵抑制物分析及其對(duì)乙醇發(fā)酵的影響[D];湖南農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

10 田順風(fēng);預(yù)處理對(duì)玉米秸稈中木質(zhì)素脫除及纖維素降解的影響[D];江南大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：2469860