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纤维素经离子液体预处理制备燃料乙醇工艺研究

作　者: 代辉
导　师: 刘振
学　校: 河南科技大学
专　业: 化学工艺
关键词: 纤维素 同步糖化发酵 离子液体 预处理 燃料乙醇
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


以木质纤维素为原料发酵生产乙醇是石油替代资源的重要组成部分,具有发展经济和保护环境的双重意义。但木质纤维素内部高度致密的结晶结构严重阻碍了其酶解糖化,原料预处理成为纤维素资源化利用的关键。传统的预处理方法有物理法、化学法和生物法等,但都存在一定的弊端,如物理法能耗高、设备投资大,化学法容易腐蚀设备、污染环境,生物方法效率低等。离子液体作为一种结构和性能可调的“绿色”溶剂,具有很强稳定性和良好的溶解能力,可以直接溶解纤维素。本文利用离子液体对纤维素预处理,进行酶解和乙醇发酵过程研究。本文合成了1-烯丙基-3-甲基咪唑甲酸盐（[AMIM][COOH]）和1-丁基-3-甲基咪唑氯酸盐（[BMIM]Cl）两种离子液体;探讨了微晶纤维素在不同条件下（如外场、温度、时间以及反溶剂等）,经离子液体预处理前后的酶解速率变化。研究发现随预处理温度的升高,纤维素的糖化速率呈现先增大后下降的趋势,90℃为最佳温度,过高温度会使纤维素分子间有部分团聚的现象,增加预处理时间和采用乙醇作为反溶剂,均可促进纤维素酶解糖化速率;纤维素在最佳条件下（90℃,2h,乙醇作为反溶剂）经[AMIM][COOH]和[BMIM]Cl预处理,酶解速率分别提高24.94%和45.48%。通过用扫描电子电镜（SEM）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析纤维素预处理前后的微观形貌变化,探讨了纤维素在离子液体中的溶解机理。研究发现,经离子液体处理的纤维素并未发生衍生化现象,是个物理作用过程,溶解遵循电子给予体—接受体（Electron Donor-Acceptor, EDA）理论。研究经过离子液体[BMIM]Cl对纤维素预处理前后的同步糖化发酵生产乙醇的效果得出在250g·L-1的底物浓度、酶负载量33.3FPA·g-1纤维素条件下,纤维素经离子液体预处理同步糖化发酵72h后,乙醇浓度达109.77g·L-1,发酵效率是相同条件下未处理纤维素2.80倍。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第1章 绪论  8-19
  1.1 纤维素概述  9-11
    1.1.1 纤维素的结构  9-10
    1.1.2 纤维素的性质  10-11
  1.2 纤维素的预处理  11-13
    1.2.1 物理预处理法  11-12
    1.2.2 化学预处理法  12
    1.2.3 物理-化学预处理法  12-13
    1.2.4 生物处理法  13
  1.3 离子液体概述  13-16
    1.3.1 离子液体的结构与分类  13-14
    1.3.2 离子液体的特性与应用  14-15
    1.3.3 离子液体溶解纤维素研究进展  15-16
  1.4 纤维素乙醇发酵技术  16-18
    1.4.1 分步糖化发酵法  17
    1.4.2 同步糖化发酵法  17
    1.4.3 同步糖化共发酵法  17
    1.4.4 直接微生物转化法  17-18
    1.4.5 固定化细胞发酵法  18
    1.4.6 气提发酵法  18
  1.5 本文的研究内容  18-19
第2章 实验部分  19-30
  2.1 实验材料  19-21
    2.1.1 实验原料和试剂  19-20
    2.1.2 实验仪器和设备  20-21
  2.2 实验方法  21-30
    2.2.1 [AMIM][COOH]的制备  21
    2.2.2 [BMIM]Cl 的合成  21-22
    2.2.3 葡萄糖标准曲线的绘制  22-24
    2.2.4 酶活力的测定  24-25
    2.2.5 离子液体预处理纤维素  25
    2.2.6 离子液体的回收  25
    2.2.7 纤维素的酶解  25-26
    2.2.8 纤维素聚合度的测定  26-27
    2.2.9 纤维素的结构表征  27
    2.2.10 乙醇标准曲线的绘制  27-28
    2.2.11 培养基的组成  28-29
    2.2.12 分步糖化发酵  29
    2.2.13 同步糖化发酵  29
    2.2.14 样品检测  29-30
第3章 离子液体预处理纤维素酶解糖化研究  30-48
  3.1 离子液体处理纤维素条件研究  30-37
    3.1.1 外场的影响  30-31
    3.1.2 预处理温度的影响  31-33
    3.1.3 预处理时间的影响  33-34
    3.1.4 反溶剂的影响  34-35
    3.1.5 纤维素形貌表征  35-37
  3.2 [BMIM]Cl 与[AMIM][COOH]的预处理效果比较  37-40
    3.2.1 酶解糖化效果  37-38
    3.2.2 纤维素形貌表征  38-40
  3.3 微波场下[BMIM]Cl 处理纤维素条件研究  40-46
    3.3.1 微波强度的影响  40-41
    3.3.2 微波加热温度的影响  41-43
    3.3.3 预处理时间的影响  43-44
    3.3.4 反溶剂的影响  44
    3.3.5 纤维素形貌表征  44-46
  3.4 本章小结  46-48
第4章 纤维素经离子液体预处理发酵制备乙醇  48-55
  4.1 纤维素糖化发酵工艺的确定  48-51
    4.1.1 纤维素分步糖化发酵  48-49
    4.1.2 纤维素同步糖化发酵  49-51
  4.2 再生纤维素同步糖化发酵制乙醇研究  51-54
    4.2.1 预处理温度对再生纤维素同步糖化发酵的影响  51-52
    4.2.2 预处理时间对再生纤维素同步糖化发酵的影响  52-53
    4.2.3 反溶剂对再生纤维素同步糖化发酵的影响  53-54
  4.3 本章小结  54-55
第5章 结论  55-57
参考文献  57-63
缩略语词汇表  63-64
附录A 铜乙二胺溶液的制备  64-66
附录B [BMIM]Cl 预处理纤维素SEM 图像  66-67
致谢  67-68
攻读硕士学位期间的研究成果  68

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