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芨芨草转化燃料乙醇的预处理研究

倪天茹  
【摘要】: 近年来,日益增长的能源消耗和严峻的环境问题使人们对使用酒精作为运输燃料越来越感兴趣。目前世界上生产燃料乙醇的主要原料是谷物如玉米、小麦等。但对中国和有些国家来说采用谷物生产燃料乙醇不是可持续的方法。木质纤维原料是生产燃料乙醇很有潜力的原料,因为木质纤维原料具有廉价、可再生、资源丰富的特点。用木质纤维原料生产燃料乙醇主要包括预处理、水解、发酵、产品纯化和液体的后处理五个步骤。预处理是燃料乙醇生产中关键的一步。木质纤维原料预处理的目的是通过去除木质素、半纤维素,降低纤维素结晶度,增加原料多孔性提高其酶解性。 本研究中,采用芨芨草作为转化燃料乙醇的原料。本研究的目的是分析氢氧化钠、氨、硫酸和氨-硫酸预处理对芨芨草的影响。总结了经氢氧化钠、氨、硫酸和氨-硫酸预处理后的固体中木质素、半纤维素和纤维素的含量。讨论了在不同氢氧化钠用量、氨水浓度、硫酸浓度、液固比、反应温度和时间的条件下,预处理后固体中木质素、半纤维素和纤维素含量的变化规律。进一步讨论了氢氧化钠和氨预处理的木质素去除率变化规律及硫酸和氨-硫酸预处理的半纤维素去除率变化规律。 本研究中,分别采用氢氧化钠、氨水、硫酸对芨芨草进行预处理。氢氧化钠预处理芨芨草反应中,氢氧化钠用量为3-18%(基于原始干物质),在液固比8:1-20:1(v/w),反应温度60-100℃条件下对已粉碎生物质处理1.5h。结果表明,氢氧化钠用量、液固比和反应温度都对木质素去除率及氢氧化钠预处理后的固体中木质素、半纤维素和纤维素的含量有显著影响。当氢氧化钠用量高于15%(基于原始干物质)时,氢氧化钠用量对木质素去除率没有显著影响。当液固比低于10:1(v/w)时,难以使反应系统保持均质。当氢氧化钠用量固定,提高液固比(10:1),使木质素去除率降低。当温度高于90℃,反应温度对木质素去除率没有显著影响。结果表明,最佳反应条件为:氢氧化钠用量为15%(基于原始干物质),液固比10:1(v/w),反应温度90℃,反应时间1.5h。在此最佳预处理条件下,木质素去除率约为39%,处理后固体中纤维素含量提高到68.39%,同时半纤维素含量降至19.86%。 对氨水浸泡法预处理芨芨草进行了研究,采用5-25wt%氨水,在45-85℃,液固比12:1(质量比)条件下对已粉碎生物质处理12-72h。氨水浓度、反应温度和反应时间都对质素去除率及氨预处理后的固体中木质素、半纤维素和纤维素的含量有显著影响。当氨水浓度高于10wt%,氨水浓度对木质素去除率没有显著影响。在55℃条件下,木质素去除率达26.31%与65℃时的去除率26.55%相比没有显著不同。当反应温度从65℃提高到85℃时,木质素去除率从26.55%降低到10.56%。在氨预处理中,当反应时间长于36h时,反应时间对木质素去除率没有显著影响。结果表明,最佳反应条件为:氨水浓度10wt%,反应温度55℃,反应时间36h,液固比12:1(质量比)。在此最佳预处理条件下,木质素去除率达26.58%,处理后固体中纤维素含量提高到64.20%,同时半纤维素含量降至23.63%。在最佳预处理条件下,氨预处理的木质素去除率显著低于氢氧化钠预处理的木质素去除率(39%)。 硫酸预处理芨芨草反应中,采用0.5-3%(w/v)硫酸溶液,在100℃,液固比8:1-20:1(v/w)条件下对已粉碎生物质处理12-72h。硫酸浓度和液固比的提高及反应时间的延长对半纤维素去除率有显著影响。硫酸浓度和液固比的提高及反应时间的延长使预处理后固体中半纤维素含量显著降低,纤维素和木质素含量显著增加。研究发现,当硫酸浓度为2%(v/w)时接近最佳水平,因为此时以较低的硫酸浓度取得了满意的预处理效果(半纤维素去除率达78.87%)。当液固比高于15:1(v/w)时,液固比对半纤维素去除率没有显著影响。当反应时间长于3h时,反应时间对半纤维素去除率没有显著影响。结果表明,最佳反应条件为:硫酸浓度2%(w/v),液固比15:1(v/w),反应时间3h,反应温度100℃。在此最佳预处理条件下,半纤维素除率达92.57%,处理后固体中纤维素含量提高到66.79%。 氨-硫酸预处理芨芨草反应中,首先采用氨水浸泡法在最佳反应条件下处理已粉碎生物质(10wt%氨水,55℃,液固比12:1,36h),氨水浸泡法处理后的物质再采用0.5-2%(w/v)硫酸溶液,在液固比8:1-15:1(v/w),100℃条件下处理0.5-3h。在第二阶段的硫酸预处理中,硫酸浓度的提高和反应时间的延长对半纤维素去除率有显著影响;硫酸浓度的提高和反应时间的延长使硫酸预处理后固体中半纤维素含量显著降低,纤维素和木质素含量显著增加;但液固比对半纤维素去除率和硫酸预处理后固体中半纤维素和木质素含量没有显著影响。在氨-硫酸预处理的第二阶段,当硫酸浓度高于1.5%(w/v)时,硫酸浓度对半纤维素去除率没有显著影响:当液固比高于8:1(v/w)时,液固比对半纤维素去除率没有显著影响;当反应时间长于2h时,反应时间对半纤维素去除率没有显著影响。氨-硫酸预处理最佳反应条件为:第一阶段,氨水浓度10wt%,反应温度55℃,反应时间36h,液固比12:1(质量比);第二阶段,硫酸浓度1.5%,液固比8:1(v/w),反应时间2h,反应温度100℃。在此最佳预处理条件下,处理后固体中半纤维素除率达91.19%,纤维素含量提高到75.49%。 在温和的反应条件下,氢氧化钠预处理能有效去除木质素。氨预处理的木质素去除率比预想的要低,氨预处理不能有效地去除芨芨草所含木质素。硫酸预处理适合于芨芨草的处理,且在最佳预处理条件下获得了满意的处理效果(半纤维素去除率达92.57%)。氨-硫酸预处理能有效地去除半纤维素,并且处理后固体中的纤维素含量在四种方法中为最高。氨-硫酸预处理芨芨草反应中,第一阶段的氨预处理去除了部分半纤维素,使纤维润胀;与单独使用硫酸预处理芨芨草相比,第一阶段的氨预处理使第二阶段硫酸预处理的硫酸溶液浓度和液固比降低,反应时间缩短。木质素和半纤维素的去除可提高芨芨草的酶解能力。


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