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《哈尔滨工业大学》 2016年
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可抽提物对玉米秸秆水热预处理效果的影响研究

李梓木  
【摘要】:以资源量大、廉价、可再生的木质纤维素资源为原料酶解后生产乙醇被认为是解决能源危机和环境污染的有效途径之一。但是由于木质纤维素材料的主要成分纤维素、半纤维素和木质素在结构上相互缠绕,纤维素直接被酶解的效率很低。必须通过预处理去除半纤维素与木质素对纤维素酶的阻碍,增大纤维素酶与纤维素的接触面积才能获得较高的酶解率。水热预处理(Hydrothermal pretreatment)具有环境友好、无需抗腐蚀设备等优点。但是从产业化利用的需要考虑,目前的水热预处理能耗需要进一步降低,预处理后纤维素酶解率及发酵后乙醇浓度还需要进一步提高。可抽提物(Extractives)是草本植物来源木质纤维素材料的主要成分(含量10%~25%)。本论文以我国重要农业废弃物玉米秸秆为研究对象,以降低水热预处理活化能,提高玉米秸秆中纤维素酶解率及发酵后乙醇浓度为目标,研究玉米秸秆中可抽提物对水热预处理效果的影响,建立改良的水热预处理工艺,并考察玉米秸秆酶解率及发酵产乙醇情况,验证改良工艺的效果。首先,本文以玉米秸秆为处理对象,优化水热预处理参数,分析预处理后玉米秸秆的结构变化,对比完全去除可抽提物后玉米秸秆水热预处理后的酶解率。在所选水热预处理条件下(处理温度:180~220℃,处理时间:10~25min),210℃下20 min处理后获得最高纤维素酶解率76.2%。结构分析表明,水热预处理过程中位于半纤维素支链上的阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖组成的聚糖与主链之间的连接键较容易断裂,部分酸可溶木质素能够在水热预处理过程中被移除。发挥催化作用的H+难以明显破坏纤维素结晶区。水热预处理过程中伴随着假木质素的生成。可抽提物能够抑制水热预处理后玉米秸秆的纤维素酶解。其次,研究可抽提物对水热预处理后固体结构及酶解影响。通过对比玉米秸秆和无可抽提物玉米秸秆水热预处理后的表面形态以及测定可抽提物成分发现:可抽提物中的葡萄糖和结构与木质素分解产物相同或相似的酚类等化合物能够分别在水热预处理过程中形成假木质素。分子量测定以及13C固体核磁共振和红外光谱分析表明,可抽提物来源的假木质素是具有芳香环、含有C=C的烃链、羧基以及酚羟基等结构的聚合物。其形成途径是葡萄糖的脱水,缩合或(和)聚合以及酚类等结构与木质素分解产物相同或相似的化合物的聚合。可抽提物来源的假木质素能够抑制纤维素的酶解,机制是空间阻碍作用和抑制纤维素酶活性。但纤维素酶能够在酶解过程中移除部分假木质素,使空间阻碍作用随酶解时间延长而逐渐减小。移除假木质素和重聚木质素后,210℃下20 min水热预处理玉米秸秆的纤维素酶解率提高到92.4%。最后,研究可抽提物对水热预处理过程及酶解发酵的影响。结果发现:可抽提物具有缓冲能力,水热预处理过程中能够抑制H+催化半纤维素的水解。基于上述可抽提物对水热预处理影响的机理,建立去除可抽提物中缓冲物质以及可以形成假木质素的物质后再进行水热预处理的工艺:自来水为溶剂、液固比20:1、常压室温(20~30℃)、120 r/min提取60 min。移除这些物质后水热反应中半纤维素水解所需活化能从59.6 k J/mol下降到41.5 kJ/mol,下降了30.4%;以去除这些物质后的玉米秸秆为原料,通过响应面法优化水热预处理条件。获得优化条件为:206.9℃下38.2 min。经此工艺水热预处理后,纤维素酶解率为89.1%。经同步水解发酵后获得乙醇浓度42.1 g/L,与单纯应用水热预处理相比提高了30.7%,高于实现蒸馏经济性的乙醇浓度(40 g/L)。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ353;TQ223.122

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