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SPORL预处理技术在木质生物质转化中应用研究

朱文远  
【摘要】: 随着全球不断变暖和矿物能源的日益枯竭,人们越来越关注环境友好和可持续型的生物燃料。生物燃料可以减少二氧化碳排放,适应可持续经济发展的要求。目前,研究已从“第一代生物乙醇”(淀粉基生物乙醇)发展到“第二代生物乙醇”(木质纤维生物质乙醇)。后者原料来源更广泛,成本更低,而且不与人类争粮食,更有良好的发展前景。但是,木材生物质结构致密,对酶和微生物入侵具有较强的“顽抗性”。SPORL预处理技术可以有效的降低木质生物质能耗,而且有很好的工业化条件(亚硫酸盐制浆技术在造纸工业已经很成熟),因此,具有良好的生物质预处理工业化前景。 本论文以SPORL法预处理黑松(针叶木,具有很强的“顽抗性”)。研究不同的预处理和磨浆条件降低减小生物质尺寸的磨浆能耗和提高底物纤维酶水解效率。低pH值SPORL法预处理黑松过程中,硫酸作用是保持体系pH值较低,降解黑松的绝大部分半纤维素;亚硫酸氢钠对木素具有磺化润胀的作用,并可以脱除部分木素。二者协同作用,可以降低后续磨浆能耗(超过80%)以及提高底物的酶解转化效率(超过90%)。增加盘磨间隙或者降低磨浆浓度,都能明显降低磨浆能耗,但盘磨间隙的增加稍微降低了预处理底物的酶解效率。综合考虑,黑松采用低pH值SPORL法(2.2%硫酸和8.0%亚硫酸氢钠,对绝干木片)预处理后,在磨浆浓度为10%,盘磨间隙为0.76 mm的条件下,磨浆能耗降低到45.8 Wh/kg(绝干未处理木片),也就是降低约95%磨浆能耗。研究发现磨浆能耗与单位磨浆能耗产生的葡萄糖得率具有反比例函数关系,拟合为:其中,x表示磨浆能耗,Wh/kg;y表示单位磨浆能耗产生的葡萄糖得率,g/Wh;A是1 kg未处理木片经预处理酶水解产生的葡萄糖量(g/kg),不随磨浆条件而变。 黑松木片经过预处理后,固体生物质底物采用SSF生产乙醇,液体经中和过滤处理和脱毒后直接发酵:低pH值SPROL法预处理黑松底物的乙醇平均得率为214 L/ton,最高230 L/ton,约90%的发酵效率;处理后的废液,经消毒后才能进行发酵,各工艺预处理的黑松生物质发酵总乙醇得率为166-276 L/ton (绝干木片)。最高乙醇转化率(276 L/ton绝干木片)的预处理条件是低pH值SPORL法(1-A2B8-1,硫酸用量2.21%,亚硫酸氢钠用量8%),转化率为71.7%(对理论值)。初步审计整个工艺过程能量衡算,没有考察酶解发酵和乙醇蒸发所耗能量,其净产能为4.55 GJ/ton(对绝干未处理木片;该数值不包括木素潜在的能量)。 论文还对SPORL法预处理杨木生物质条件进行了研究:温度对预处理降低生物质的“顽抗性”有重要作用,但温度太高,导致底物酶水解葡萄糖得率(EHGY)略有下降;延长保温时间,可以明显降低预处理底物的残留木聚糖,但糠醛等发酵抑制剂明显增加;各化学预处理后的杨木木片磨浆能耗明显降低,硫酸作用是降解生物质原料中的半纤维素,亚硫酸氢钠作用是溶出和软化木素。研究表明杨木最佳SPORL预处理条件为:硫酸和亚硫酸氢钠用量分别为1.1%和3.0%(对绝干木片),温度为170℃,保温时间20 min。 低pH值SPORL法预处理杨木生物质,既可以有效的降解半纤维素和降低磨浆能耗(20.7 Wh./kg,对绝干未处理木片),又能得到较好的底物可酶解率(SED接近100%),72小时EHGY最高(436 g/kg,绝干未处理木片);预处理废液里木糖和甘露糖的溶出最多,分别为112.2 g/kg和11.4 g/kg(均对绝干未处理木片),虽然溶出的糠醛和羧甲基糠醛也相对较多,但总量并不多,只有约1%(绝干未处理木片),因此,其预处理废液具有较高综合利用价值。


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