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蒸汽爆破和酸催化乙醇法预处理底物特性的对比研究

作　者: 亢能
导　师: 刘忠
学　校: 天津科技大学
专　业: 林产化学加工工程
关键词: 三倍体毛白杨酸催化乙醇法蒸汽爆破法响应曲面酶水解
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

以木质植物纤维为原料,生物转化法制备燃料乙醇,主要是利用原料中的纤维素部分。原料经预处理后,用纤维素酶将纤维素转化成葡萄糖,再进一步发酵生成乙醇。为了提高纤维素水解率,必须进行预处理。本课题选取三倍体毛白杨为原料,进行酸催化乙醇法、蒸汽爆破预处理,并利用响应曲面法进行优化,建立相应的原料特性与预处理条件之间的数学模型,定量描述酸催化乙醇法、蒸汽爆破法预处理工艺条件与纤维素回收率、结晶度指数、木质素含量等指标的内在联系。优化出酸催化乙醇法的最优预处理条件为：乙醇浓度45%,蒸煮温度185℃,液比1：4.2,保温时间41min。在此预处理条件下,纤维素回收率为82.62%、结晶度指数为1.712、木质素含量为7.24%。蒸汽爆破法的最优工艺为：蒸汽爆破压力1.80MPa,保温时间293s。按照优化后的预处理条件对三倍体毛白杨进行预处理,结果底物纤维素回收率为80.62%、木质素含量为14.03%,结晶度指数为1.946。通过对比最优条件下酸催化乙醇法、蒸汽爆破法和稀酸蒸汽爆破法预处理后的底物纤维素、木质素含量,红外光谱、结晶度指数、纤维长度和聚合度发现：三种预处理方法都使纤维素有少量降解,木质素分子结构受到了破坏,部分木质素和大部分半纤维素脱除,且酸催化乙醇法处理程度大于蒸汽爆破法,酸催化乙醇法可以在适当损伤纤维的情况下使得纤维更短,处理的强度更激烈,处理后底物更适用于酶水解工艺的研究。金属离子对酶活的影响研究表明,在实验浓度范围内,对于CMC酶活,4种离子在一定范围内起都能起到激活作用,且Fe2+和Cu2+激活作用显著。对于滤纸酶活,Fe2+有激活作用,Cu2+和Zn2+在一定范围内有激活作用,低浓度的Mg2+有抑制作用。通过酶水解优化实验得到,酸催化乙醇法预处理底物的最优酶水解条件为：温度50℃,pH值5.0,底物浓度2%(质量分数),酶用量25IU,转速160r/min。在酶水解液中加入铁离子(浓度为1.2mg/ml),在78小时后葡萄糖转化率最高可达95.34%。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 前言  10-23
  1.1 燃料乙醉  10-11
    1.1.1 以植物纤维为原料制备燃料乙醇的意义  10
    1.1.2 燃料乙醇的生产及应用  10-11
  1.2 植物纤维原料预处理  11-18
    1.2.1 植物纤维原料预处理的目的  11
    1.2.2 植物纤维原料预处理方法  11-18
    1.2.3 三倍体毛白杨特点  18
  1.3 纤维素酶水解机理  18-21
    1.3.1 纤维素酶的作用机制及理化性质  18-19
    1.3.2 纤维素酶水解的影响因素  19-21
  1.4 响应曲面法简介  21-22
  1.5 本论文研究目的和内容  22-23
    1.5.1 本论文研究目的  22
    1.5.2 本论文研究内容  22-23
2 材料与方法  23-29
  2.1 实验原料  23
  2.2 实验药品  23-24
  2.3 实验仪器  24
  2.4 预处理实验方法  24-25
    2.4.1 酸催化乙醇法  24
    2.4.2 蒸汽爆破方法  24-25
    2.4.3 纤维素、综纤维素和木质素的测定  25
    2.4.4 红外光谱分析及结晶度指数的测定  25
    2.4.5 纤维素聚合度的测定  25
    2.4.6 底物纤维长度的分析  25
  2.5 酶水解实验方法  25-29
    2.5.1 实验所用溶液配制  25-26
    2.5.2 纤维素酶活的测定方法  26
    2.5.3 金属离子对酶活的影响实验方法  26-27
    2.5.4 葡萄糖标准曲线的制作方法  27
    2.5.5 植物纤维原料水解液的制备  27
    2.5.6 葡萄糖含量的测定  27-29
3 结果与讨论  29-69
  3.1 原料分析  29
  3.2 有机溶剂法预处理影响因素的确定  29-32
    3.2.1 液比的确定  29-30
    3.2.2 催化剂用量范围确定  30
    3.2.3 乙醇浓度范围确定  30-31
    3.2.4 保温时间范围确定  31-32
    3.2.5 蒸煮温度范围的确定  32
    3.2.6 小结  32
  3.3 响应曲面法优化三倍体毛白杨有机溶剂预处理条件  32-43
    3.3.1 模型建立  32-34
    3.3.2 纤维素回收率的响应面分析与优化  34-37
    3.3.3 结晶度指数的响应面分析与优化  37-40
    3.3.4 木质素含量的响应面分析与优化  40-43
    3.3.5 响应值的优化及模型验证  43
  3.4 蒸汽爆破影响因素范围的确定  43-45
    3.4.1 压力范围确定  43-44
    3.4.2 时间范围确定  44-45
    3.4.3 小结  45
  3.5 响应曲面法优化杨木蒸汽爆破法预处理条件  45-50
    3.5.1 模型建立  45-46
    3.5.2 纤维素回收率的响应面分析与优化  46-47
    3.5.3 结晶度指数的响应面分析与优化  47-48
    3.5.4 木质素含量的响应面分析与优化  48-50
    3.5.5 响应值的优化及模型验证  50
  3.6 蒸汽爆破法、稀酸蒸汽爆破法和有机溶剂法预处理对原料的影响  50-56
    3.6.1 预处理对三倍体毛白杨纤维素、综纤维素和木质素含量的影响  50-51
    3.6.2 预处理对三倍体毛白杨纤维结晶度指数(O'KI)的影响  51-52
    3.6.3 对三倍体毛白杨傅立叶红外光谱的影响  52-53
    3.6.4 对三倍体毛白杨纤维素聚合度的影响  53-54
    3.6.5 预处理后底物纤维长度、宽度的对比  54-56
    3.6.6 小结  56
  3.7 葡萄糖标准曲线的绘制  56-57
  3.8 金属离子对酶活性的影响  57-61
    3.8.1 纤维素酶酶活测定  57-58
    3.8.2 Mg~(2+)对纤维素酶活力的影响  58
    3.8.3 Cu~(2+)对纤维素酶活力的影响  58-59
    3.8.4 Fe~(2+)对纤维素酶活力的影响  59-60
    3.8.5 Zn~(2+)对纤维素酶活力的影响  60
    3.8.6 小结  60-61
  3.9 酶水解条件优化  61-66
    3.9.1 酶用量  61
    3.9.2 pH值对纤维素酶解得率的影响  61-62
    3.9.3 温度对纤维素酶解得率的影响  62-63
    3.9.4 底物浓度对纤维素酶解得率的影响  63-64
    3.9.5 转速对纤维索酶解得率的影响  64-65
    3.9.6 小结  65-66
  3.10 研究预处理后底物中木质素含量对水解效率的影响  66-69
4 结论  69-71
  4.1 全文总结  69-70
  4.2 论文创新之处  70-71
5 展望  71-72
6 参考文献  72-78
7 攻读硕士学位期间发表论文情况  78-79
8 致谢  79

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