收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

超声波在木质纤维的预处理及酶解工艺中的应用

谢晓丽  
【摘要】:随着人类对能源需求的日趋增加和化石燃料的逐渐减少,寻找能够可持续利用的新能源成为世界各国的一项重要任务。生物质能作为一种可再生能源,已经受到世界各国的重视,对生物质加以研究开发利用逐渐成为世界许多国家的研究热点之一。我国生物质资源丰富,但是面临利用率低和易造成环境污染的问题,因此高效和经济利用生物质已成为我国一项迫切的、具有重要战略意义的任务。生物乙醇是生物能源的一种,可单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料,利用农产废弃物等生产燃料,即生物质燃料乙醇,在节省粮食、能源以及环保等方面有极大的优势。 生物质燃料乙醇的研究、应用和推广工作,在国内外已经进行了100多年但是目前此技术尚未能完全进入工业化生产,其中最主要的问题为木质纤维素预处理技术尚不成熟,木质纤维转化为可发酵性糖的转化率不高。这是因为,木质纤维的结构致密,纤维素本身的结晶结构、半纤维素对纤维素的包覆作用以及木质素对纤维素的屏蔽作用,都会影响纤维素的降解和可发酵性糖的获得,因此对木质纤维的发酵利用需要通过预处理打开木质纤维素的紧密结构,提高后续酶解中木质纤维到可发酵性糖的转化率,这是解决生物质(秸秆)燃料乙醇生产瓶颈,实现工业化生产的重要途径。 论文的研究内容主要涉及超声波对玉米芯的木质纤维的预处理作用、对酸预处理过程的辅助作用以及对后续酶解过程的促进作用,旨在寻找一种更加经济实用的预处理方式,解决目前预处理成本高且效果差的问题,并降低水解过程中的酶用量,提高酶水解的还原糖得率,最终达到提高植物纤维原料转化率的目的。 (1)超声波预处理玉米芯的工艺研究 以还原糖得率作为评定标准,分别研究了固液比、酶加量、酶解时间等因素对还原糖得率的影响,得到了各因素的影响曲线,并结合均匀试验,对超声波预处理条件进行优化。 得到回归方程:Y= 19.972+0.002X1X3+0.001X1X4 (其中X1,超声波功率;X2,一次超声时间;X3,超声间隙时间;X4,总超声时间) 优化条件为超声波功率260W/g,一次超声时间2s,超声间隙时间6s,总超声处理时间30min,此条件下玉米芯的总还原糖得率达到26.71%,这表明单纯的超声波预处理对木质纤维的降解促进作用有限,无法达到理想效果。 对超声波预处理玉米芯,提高还原糖得率的原因进行了探索,通过电镜观察与FTIR扫描谱图发现,超声波的辐射处理并未改变纤维素的内部结构,没有破坏内部官能团,推断超声波处理后还原糖得率有所上升的原因是超声波促使了部分内部还原糖的溶出。 (2)超声辅助酸预处理玉米芯的工艺研究 研究在超声波以及酸液的双重作用下,木质纤维发生部分水解后还原糖的得率,以及结构受到破坏对后续酶解的促进作用。可行性试验的结果表明,此法的预处理还原糖得率达到了30.96%,分别是静态沸水浴、沸水浴搅拌、以及非沸水浴超声波三种处理方式的还原糖得率的1.72、1.43、1.22倍,效果较好。 采用PB试验筛选出了试验的主要影响因素,即酸浓度、超声波功率和超声波时间,并用均匀试验进行优化。以总还原糖得率为指标,用SPSS软件回归得到方程: Y=-0.276-0.430X12-0.001X1X2+0.006X1X3-1.5×10-5X2X3+1.009X1+0.002X2 (其中X1,酸浓度;X2,超声波功率;X3,总超声时间) 最优条件为:酸浓度1.20%,超声波功率121.95W/g,超声波处理时间60min。此条件下总还原糖得率可达到71.91%,木质纤维降解率较高。显示此种方法在减少酸用量、提高还原糖得率等方面有较好的效果。 电镜与FTIR扫描谱图发现,此种处理方法对木质纤维的内部结构破坏较大,有部分内部官能团受破坏。 (3)在传统力学方程和实验数据的基础上,对超声波辅助酸预处理玉米芯反应过程的超声波传质或降解动力学模型进行了初步探索。 通过反应机理的推导及与酸预处理木质纤维的经典模型的拟合,发现超声波辅助酸预处理玉米芯的模型与所报道的经典模型拟合度较高,表明超声波场下酸预处理的反应过程没有改变。计算发现,超声波辅助酸预处理玉米芯与所报道的经典模型拟合度较高,κ1、κ2值显示出相同的变化趋势,且κ2值始终低于κ1值。与同等反应体系相比,此体系在较低的酸浓度下(≤1.25%)就可以达到较高的反应速率,κ1略高于其他体系,且耗酸量少,这可能与超声波的强化传质等作用有关。产物降解速率κ2值比目前报道的硫酸反应体系较低,表明超声波辅助酸预处理的方式在减少生成物的降解上有一定优势。并通过试验数值的计算,得此体系的活化能Ea=31.85kJ/mol。 (4)超声波对纤维素酶以及酶解过程的影响研究。 首先探讨了两种不同的超声波处理方式(聚能式、发散式)对纤维素酶催化作用的影响,发现发散式超声波处理在处理效果的稳定性和显著性方面要好于聚能式超声波处理。 其次对发散式平板超声处理纤维素酶的工艺参数进行了优化,得到了最佳工艺条件,即为300kW、28kHz的扫频超声处理2min,放置时间对纤维素酶活的影响较大,放置48h后酶活值降低了68.97%,且无法恢复。通过紫外吸收光谱、荧光光谱等检测分析,发现此操作强度下的超声并未引起纤维素酶内部价键或者组成的变化,而是发生了部分构象的改变,从而实现对纤维素酶的激活作用。此研究结果在降低纤维素酶用量上具有一定的实际应用意义。 探讨了超声波对酶解过程的影响,结果发现,经过超声波处理后的酶解液的还原糖得率比未处理样品可高出18.43%,这可能与超声波的强化传质、促进酶液在酶解体系中的扩散有关。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 赵娟;崔怡;李丙海;;木塑复合材料改性研究进展[J];塑料科技;2007年02期
2 林鹿,庞春生,杨柳,赵德清,蒋李萍,周贤涛,邱玉桂;白腐菌对甘蔗渣木质纤维的降解及其影响因子(Ⅰ)——木聚糖对木质纤维不同组分降解的影响[J];中国造纸学报;2004年01期
3 林鹿,庞春生,杨柳,赵德清,蒋李萍,周贤涛,邱玉桂;白腐菌对甘蔗渣木质纤维的降解及其影响因子(Ⅲ)——愈创木酚对木质纤维不同组分降解的影响[J];中国造纸学报;2004年01期
4 袁启东,韩跃新,陈晓龙,印万忠;路用木质纤维在SMA混合料中的作用[J];有色矿冶;2005年S1期
5 徐静;赵永利;刘加平;;路用木质纤维性能研究[J];材料导报;2008年S1期
6 邓海波;林鹿;黄伟韩;;木质纤维氨化反应及其结构变化[J];中国造纸学报;2007年04期
7 张天昊;张求慧;李建章;;木塑复合材料改性研究进展及应用前景[J];包装工程;2008年02期
8 邓海波;林鹿;黄伟韩;;氨化木质纤维的白腐菌降解[J];纤维素科学与技术;2008年01期
9 刘竹;何静;袁同琦;张浩月;张智衡;;木质纤维-丙烯酰胺共聚合成高分子表面活性剂[J];北京林业大学学报;2009年S1期
10 王燕;;浅论木塑复合材料的组成及其性能提高[J];化学工程与装备;2009年09期
11 林秀兰;微波辐射在木质纤维原料热化学加工中的应用[J];化工学报;1999年03期
12 唐朝发;刘彦龙;张士成;;木质纤维制造缓冲材料的应用研究[J];林产工业;2009年01期
13 王恺;木质纤维复合材料──一种有发展前景的复合材料[J];木材工业;1994年02期
14 田泽峰;陈晓龙;韩跃新;谷传宏;;松散状木质纤维路用性能研究[J];矿冶;2006年02期
15 张东辉;何春霞;顾阳;田丰年;;木塑复合材料理化性能研究[J];合成材料老化与应用;2010年01期
16 张东辉;何春霞;田丰年;;木质纤维/PP复合材料吸水性能研究[J];塑料工业;2010年02期
17 李思蓓;解玉红;罗晶;冯炘;;秸秆预处理中木质纤维物质含量测定方法的研究进展[J];安徽农业科学;2011年03期
18 姚光裕;利用废纸生产废纸-木质纤维板[J];造纸信息;2004年01期
19 陈学榕;黄彪;江茂生;唐兴平;廖益强;杨庆贤;;新型木质纤维吸油材料的结构表征与性能研究[J];中国造纸;2006年07期
20 孙晓民;陆晓中;刘英俊;刘伯元;;几种木质纤维的热稳定性能的研究[J];上海塑料;2008年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 殷腊生;;棕榈仁粕中木质纤维的预处理研究[A];2010年饲料蛋白源应用新技术研讨会暨蛋白源大会论文集[C];2010年
2 赵泉国;;国外最新矿物棉与木质纤维复合制品简介[A];绝热隔音材料轻质建筑板材新产品新技术论文集[C];2003年
3 高昱;张琳;;木质纤维在干混砂浆中的应用研究[A];2009预拌砂浆发展论坛论文集[C];2009年
4 袁启东;韩跃新;陈晓龙;印万忠;;路用木质纤维在SMA混合料中的作用[A];第十一届全国粉体工程学术会暨相关设备、产品交流会论文集[C];2005年
5 段洁利;蒋恩臣;;绿色环保木塑复合材料的技术发展与应用前景[A];2007年中国农业工程学会学术年会论文摘要集[C];2007年
6 李军文;付莹;包华博;桃野正;田汤善章;;利用超声波去除金属熔体内气体的研究[A];中国机械工程学会第十一届全国铸造年会论文集[C];2006年
7 余威;施德安;吴京;;天然纤维增强聚烯烃复合材料的制备与力学性能研究[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2007年
8 刘海英;顾继友;毛国琪;徐小军;;纳米SiO_2粒子改性水性聚醋酸乙烯乳液的合成及粘接性能研究[A];中国化学会第26届学术年会绿色化学分会场论文集[C];2008年
9 贾征;李军文;宋生海;周岐;;熔体超声场处理对Al-Pb合金铸锭偏析及性能的影响[A];2009中国铸造活动周论文集[C];2009年
10 刘素梅;赵永生;;木纤维-塑料复合材料——21世纪的绿色环保材料[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策(下册)[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张凯;功能性无机/有机复合粒子的制备、表征及应用[D];四川大学;2005年
2 薛玉伟;污泥超声破解反应器工况优化与破解污泥中温厌氧消化能效分析[D];天津大学;2007年
3 张洋;麦秸人造板的研究[D];南京林业大学;2001年
4 何泽超;纤维素的酶水解及超声波对其加速作用的研究[D];四川大学;2001年
5 王海;Sp.E-86菌株高产木聚糖酶机理和吸附特性及反应动力学的研究[D];中国农业大学;2002年
6 刘军利;木质纤维类生物质定向热解行为研究[D];中国林业科学研究院;2011年
7 孙屹博;面向聚合物微流控器件的超声波精密联接技术研究[D];大连理工大学;2011年
8 金立维;木质纤维基热塑性高分子可降解材料的制备、结构与性能研究[D];中国林业科学研究院;2010年
9 孙会兰;12CaO·7Al_2O_3和γ-2CaO·SiO_2渣系氧化铝溶出性能及机理的研究[D];东北大学;2009年
10 罗光恩;高含水量废弃生物质水热降解工艺及其资源化利用研究[D];浙江大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 谢晓丽;超声波在木质纤维的预处理及酶解工艺中的应用[D];江苏大学;2010年
2 司秀杰;模拟偶氮染料废水甲基橙溶液的处理研究[D];重庆大学;2005年
3 廖益强;木质纤维对撞流干燥的研究[D];福建农林大学;2003年
4 薛盘芳;PP/木质纤维复合材料的制备及其性能研究[D];南京农业大学;2008年
5 韩伟健;低苯乙烯含量丁苯共聚物的制备与结构的研究[D];青岛科技大学;2006年
6 高金权;木腐蕈菌对稻草基质的降解特性研究[D];西南大学;2006年
7 蓝武;木质纤维在离子液体中的溶解以及组分分离[D];华南理工大学;2012年
8 段媛;木质纤维超临界水解糖化特性及机理的研究[D];华南理工大学;2012年
9 董现华;湿法木质纤维模压门板生产工艺的研究[D];东北林业大学;2008年
10 刘玉成;NM公司利用木质纤维植物制备燃料乙醇项目可行性研究[D];天津大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 张兴刚;木质纤维化学材料专项启动[N];中国化工报;2011年
2 赵平;木质纤维喷播覆盖物(三)[N];中国花卉报;2007年
3 赵平;边坡绿化产品介绍:木质纤维喷播覆盖物(二)[N];中国花卉报;2007年
4 木言;木质纤维复合材料走俏国际市场[N];中国建材报;2007年
5 甘勃;奥运建材相中绿色 “混血儿”[N];大众科技报;2008年
6 澎;我国纸张生产 低档产品过剩 中高档品不足[N];国际经贸消息;2001年
7 日尧;新型环保木质复合材料[N];中国建材报;2004年
8 本报记者 钱敏 郁华;木塑复合材料:循环经济造就的产业新贵[N];中国化工报;2006年
9 记者 薛辉 胡兴国 通讯员 雷宏伍;爱茵木塑:一个正在崛起的环保产业[N];恩施日报;2006年
10 徐家山;国风要做亚洲木塑业老大[N];中国化工报;2006年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978