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阔叶木生物质精炼两种利用模式的研究

迟聪聪  
【摘要】:“生物质精炼”以实现对生物质资源的最大化利用为宗旨,其研究对于缓解世界所面临的资源短缺与能源危机具有重要意义。本论文以造纸速生材国内桉木和美国混合阔叶木为研究对象,根据两种思路进行研究:一是基于IFBR(Integrated Forest Products Biorefinery)理念,将生物质精炼与化学法制浆相结合,探讨预处理提取半纤维素的方法和工艺及其对后续碱法制浆和纸浆漂白(ECF和TCF)的影响,并对相关机理进行研究;二是转化制备生物乙醇,结合ZeaChem公司的产乙酸菌发酵模式,从工业生产的实际出发,对木片乙酸预处理和浆料酶水解条件进行优化,以增加糖的转化率进而提高乙醇得率,研究目的是为实际应用提供有价值的参考依据。 对桉木木片进行了碱预处理和水预水解,研究了碱浓、液比、温度和反应时间等因素对提取半纤维素的影响,结果表明水预水解的效果优于碱预处理。对桉木片水预水解反应历程的研究结果表明,随着水解时间的延长或预水解因子的增大,提取液中木糖、糠醛和酸溶木素等组分的含量呈现出一定的变化规律,预水解因子与水解结果之间存在一定的关系。研究中探讨了表征半纤维素提取效果的方法,研究了直接法(测定提取液中的戊糖含量)与间接法(测定预处理前后木片中聚戊糖含量的差值)两种结果之间的关系,建立了测定戊糖相对提取率的方法。 由于提取液中糖类与糠醛类化合物的含量对制浆和转化制备生物乙醇都具有显著影响,研究中探讨了有利于实际应用的快速分析方法。利用双波长可见光谱技术建立了同时测定戊糖、己糖和总糖含量的方法,并利用双波长紫外光谱法实现了对酸性水解液中糠醛和羟甲基糠醛含量的同步测定,研究结果表明,在上述两种方法所用条件下,提取液中可能存在的木素等其它物质对测定结果无显著干扰。 对碱预处理或水预水解后的桉木片与原木片在相同条件下进行比较制浆,结果表明前者浆料的卡伯值和粗浆得率均较低,在(AQ)P漂白流程中浆料的可漂性提高。对水预水解后的混合阔叶木木片与原木片分别进行模拟MCC制浆与传统KP法制浆,与后者相比,前者达到相同卡伯值所需用碱量稍低,粗浆得率降低,浆料在D0(EP)D1漂白中的可漂性提高。水预水解导致木片中的半纤维素损失,使成浆打浆难度增加,浆料的物理强度明显降低,不透明度和光散射系数增加。 对木片和浆料纤维形态的分析结果表明,碱预处理后木片纤维的数均长度有所降低,数均宽度明显增加,长宽比减小。水预水解后木片和浆料纤维的数均宽度均有所下降,长宽比基本不变,纤维的扭结系数与卷曲系数增加。 采用Win/GEMS软件对预水解-硫酸盐法(AKP)与传统硫酸盐法(KP)制浆工艺过程进行了初步模拟与经济分析,结果显示,在漂白浆年产量相同的基础上,前者的年利润相对较高,且税后净现值与内部收益率均有所增加。 对预提取过程中半纤维素与木素的变化机理进行了相关探讨。经碱预处理后,进入提取液及残留在木片中半纤维素的平均分子量均有所降低,多分散系数增加;而水预水解后木片中半纤维素的平均分子量明显降低,多分散性相当。对从木片中分离的酶解-温和酸水解(EMAL)木素进行了分析,结果表明,经过水预水解后,木素的平均分子量增加,多分散性降低。采用核磁共振31P-NMR定量分析的结果显示,预水解后木素的各类酚羟基含量均有不同程度的增加,且缩合酚羟基含量随预水解时间的延长而增加,脂肪族羟基含量则降低,S/G比例增加。 结合美国ZeaChem公司的产乙酸菌高效发酵工艺,对木片的乙酸预处理及酶水解条件进行了优化实验,探讨了进一步提高酶解效率的方法。结果表明,利用PFI磨浆能够显著提高酶解效率,将乙酸预处理提取液加到酶水解体系可增加酶解后总糖得率,但由浆料底物本身水解所产生的糖降低。在优化条件下采用酶Cellic I进行水解,酶用量为5~20 FPU时,糖得率高达75~85%,经计算,采用ZeaChem的发酵模式可使乙醇的理论得率达503.5~570.6 L乙醇/吨绝干木片。


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