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生物质超低酸水解制取燃料乙醇的研究

庄新姝  
【摘要】:以生物质为原料生产燃料乙醇有着广阔的市场前景,对解决日益紧迫的液体燃料短缺问题具有极其重要的意义。而这其中,高温热水水解半纤维素结合超低浓度酸水解纤维素的二步水解工艺倍受关注。本文依托国家杰出青年科学基金“生物质能源化综合利用的机理性研究”,就生物质两步超低酸水解生产燃料乙醇进行了系统的试验和理论研究,为生物质水解与热裂解的联合利用打下基础。 首先针对生物质中能够水解的两大组分,以定量滤纸和木聚糖模拟纤维素和半纤维素,研究了各自的水解行为,确定了高温热水水解半纤维素和超低酸水解纤维素相结合的绿色工艺。在自行设计的生物质水解试验台上,研究了酸浓度和停留时间等因素对半纤维素和纤维素水解的还原糖得率和原料转化率的影响规律,确定了半纤维素和纤维素超低酸水解的较优工况点。对白松、速生杨和玉米秸秆的两步超低酸水解分别得到了39.3%、42.8%和23.8%的还原糖得率以及41.8%、57.8%和53.4%的原料转化率。 以装配KS-802糖柱的高效液相色谱配合蒸发光散射检测器确定了水解液中糖的种类,并对产物中低聚糖和单糖的含量做了对比分析。同时采用色质联机分析技术对液体产物中糖以外的副产物进行了深入分析,发现产物中主要成分为一些含甲基、乙基、甲氧基、羟基等官能团的酮类、醛类、醇类和酸类极性化合物。在用扫描电镜对水解残渣的形态分析的基础上,结合生物质的组分分析和热重分析等分析手段探讨了纤维素、半纤维素和生物质的超低酸水解机理。 在总结了国内外生物质水解模型的基础上,根据半纤维素和纤维素的特点,分别以假一级均相反应模型和非均相反应模型模拟了试验数据,得到了与实验数据吻合较好的动力学反应曲线,结合生物质组分分析,应用到木材类生物质对模型进行验证,发现白松的水解实验数据能够很好地和模型结果相符合。 基于速生杨较高的还原糖得率以及后续大规模利用的目的,本文选择了酿酒酵母(S.2.699)和热带假丝酵母(C.2.637)分别对其第二步水解液和第一步水解液进行了发酵试验,并考查了Ca(OH)_2中和、过中和、活性炭吸附等预处理方法以及菌种预适应驯化方法对乙醇产率的影响,以酿酒酵母发酵第二步水解液得到了近40%的产率,并发现假丝酵母能够较好地利用富含五碳糖的水解液生成菌体,适合生产单细胞蛋白。


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