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生物质制备燃料乙醇预处理新技术研究

王晓娟  
【摘要】:能源问题是关系到国家可持续发展和国防安全的一个重要问题。随着世界石油资源的日渐枯竭,寻找新的替代能源迫在眉睫,能源发展已成为各国战略问题。 以木质纤维素类生物质为原料制备的燃料乙醇是第二代生物质能源,凭借其洁净、安全和环保等优点逐渐成为最具潜力的新能源,是近年来科研工作者研究的重点。 预处理是利用生物质制备燃料乙醇过程中最重要的一步环节。本文在前人工作的基础上,针对预处理催化剂和生物精炼等问题分别提出了三种新的预处理技术,分别是电解水预处理技术、过氧化氢预处理技术和乙醇预处理技术。本文考察了这三种预处理技术对不同生物质原料的处理效果,对其在提高纤维素转化率、发酵抑制物浓度控制以及水解液可发酵性等方面进行了深入研究并取得了新的成果。这为发展新的预处理工艺,促进生物乙醇制备工业化提供了新途径。 采用电解水替代传统的酸或碱作为预处理催化剂,形成电解水预处理新技术。在避免环境污染和设备腐蚀的同时,可以获得较高的纤维素转化率,并能控制预处理过程中发酵抑制物的产生。实验结果表明,电解水预处理技术对工业副产物(DDGS)、农业废弃物(玉米秸秆)和能源植物(柳枝稷)处理后,无需去除预处理液即可进行酶水解;纤维素转化率大幅度提高,所得水解液未经浓缩和去毒直接用于发酵,可得混合燃料和乙醇。 采用过氧化氢溶液作为预处理溶剂,形成过氧化氢预处理新技术。在制备生物乙醇的同时,提取木聚糖(半纤维素)作为高附加值副产品。以柳枝稷为原料对过氧化氢预处理技术进行了研究。第一步预处理可将柳枝稷中40%以上的半纤维素提取出来。第二步预处理的温度条件大大降低。酶水解结果表明,纤维素转化率可达89%。水解液中的发酵抑制物浓度很低。水解液未经浓缩和去毒,即进行发酵试验。质量衡算表明,100g柳枝稷可获得12g燃料乙醇。 采用乙醇碱溶液作为预处理溶剂,形成乙醇预处理新技术。先将木质素作为高附加值副产品提取出来,纤维素和半纤维素等剩余物则用于生物乙醇的制备。以玉米秸秆为原料对乙醇预处理技术进行了研究。结果表明,第一步预处理将玉米秸秆中木质素溶解于乙醇的碱溶液中,所得溶液可以浓缩成高燃烧值的乙醇或是进一步开发提取其他化合物。第二步预处理的温度条件大大降低。酶水解结果表明,纤维素转化率可达83%,并有一定进步空间。水解液中的发酵抑制物浓度远低于一些发酵微生物的限制浓度。水解液未经浓缩和去毒,即可进行发酵试验。质量衡算表明,100g玉米秸秆可获得13g燃料乙醇。 利用分形动力学对电解水预处理实验中柳枝稷和玉米秸秆的酶水解过程进行了拟合,并利用预处理严重度和正交试验分析对水解结果进行了分析。结果表明,酶水解过程符合一阶分形动力学模型,拟合结果与试验分析结果一致。


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