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水葫芦微波水解和发酵制取燃料酒精的机理研究

作　者: 俞聪
导　师: 程军；刘建忠
学　校: 浙江大学
专　业: 热能工程
关键词: 水葫芦微波水解发酵还原糖酒精
分类号: S216.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

能源与环境是当今人类社会发展必须面对的两个问题。水葫芦是世界十大害草之一,在中国南方19个省市的广大水域造成严重污染。如果能将水葫芦变废变害为宝,能源化利用制取生物酒精等燃料,则对于治理改善水葫芦环境污染、发展清洁可再生的生物新能源,促进经济社会可持续发展具有重要意义本文首次提出了微波对水葫芦酶水解糖化的促进机理,并且研究了水葫芦利用酵母菌发酵制取燃料乙醇的反应机理。考察了微光波碱化同时预处理水葫芦,在微波功率700W加热150s条件下碱化预处理水葫芦,其酶水解的还原糖产量达到11.66g/100g水葫芦,为理论最大还原糖产量的20.19%。考察了微光波联合碱和蒸汽加热预处理水葫芦水解产糖。在微波和光波组合比例为30：70(总功率700W)、加热时间1min时,还原糖产量达到了31.1g/100 g水葫芦,为55.4%的理论最大还原糖产量。考察了高温微波联合酸预处理水葫芦水解产糖。发现水葫芦经过微波稀酸预处理后,半纤维素绝大部分水解生成木糖、半乳糖和阿拉伯糖等单糖,纤维素很少量水解生成葡萄糖等,木质素少量降解生成丙炔酸等。当水葫芦经微波稀酸预处理后再进行酶水解时,纤维素大量水解生成纤维二糖和葡萄糖等,半纤维素达到完全水解。在微波温度140℃、加热15min、底物浓度20g/L、稀H2SO4浓度1vo1%条件下,水葫芦经过预处理和酶水解后的还原糖产量为48.28g/100g水葫芦,达到理论最大还原糖产量(51.02g/100g底物)的94.63%。表明微波稀酸预处理对水葫芦酶水解的促进作用明显优于微波碱化预处理,这是由于酸处理更有利于降解水葫芦中含有的大量半纤维素。考察了水葫芦经过微光波碱化预处理后采用同时酶水解糖化和酵母菌发酵模式制取燃料乙醇,利用传统的酿酒酵母发酵,酒精产量达到0.063g/g水葫芦；利用嗜单宁管囊酵母发酵水葫芦的酒精产量达到0.069g/g水葫芦。考察了水葫芦经过高温微波联合酸/碱预处理后采用同时酶水解糖化和酵母菌发酵模式制取燃料乙醇,发现微波酸化预处理后产酒精效果比微波碱化预处理产酒精效果要好。在微波酸化预处理时,经过酿酒酵母发酵的酒精产量达到了0.132g/g水葫芦；经过树干毕赤酵母发酵酒精产量达到了0.137g/g水葫芦,是水葫芦理论最大酒精产量(0.29g/g水葫芦)的47.24%,超过了国际上文献报道的水葫芦产酒精的最高水平(比日本学者Mishima的0.11g/g水葫芦超过了22%)。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-12
第1章绪论  12-32
  1.1 研究意义  12-13
  1.2 生物酒精的研究现状  13-29
  1.3 水葫芦发酵产酒精研究现状  29-30
  1.4 本文研究目的及主要内容  30-32
第2章实验装置和方法  32-44
  2.1 实验材料  32
  2.2 实验仪器与设备  32-40
  2.3 主要实验方法  40-44
第3章微波常压预处理对水葫芦酶水解的促进机理  44-59
  3.1 微波加热原理  44-45
  3.2 微光波碱化同时预处理水葫芦  45-51
    3.2.1 水葫芦的理论还原糖产量  46
    3.2.2 微波时间对有机成分和水解糖化的影响  46-47
    3.2.3 微波功率对有机成分和水解糖化的影响  47-48
    3.2.4 微光波比例对有机成分和水解糖化的影响  48-49
    3.2.5 微波碱化预处理后的液相副产物分析  49-50
    3.2.6 微波碱化预处理后的红外光谱分析  50-51
  3.3 蒸汽加热和微波碱化联合预处理水葫芦  51-59
    3.3.1 微波时间对水解产物的影响  51-53
    3.3.2 微波功率对水解产物的影响  53-54
    3.3.3 微光波组合对水解产物的影响  54-56
    3.3.4 微波处理中碱量对水解产物的影响  56
    3.3.5 微波处理中酶量对水解产物的影响  56-57
    3.3.6 微观表面形态分析  57-59
第4章微波高压预处理对水葫芦酶水解的促进机理  59-75
  4.1 微波联合碱同时预处理水葫芦  59-62
    4.1.1 微波温度对水葫芦水解产糖的研究  59-60
    4.1.2 微波时间对水葫芦水解产糖的研究  60
    4.1.3 底物浓度对水葫芦水解产糖的研究  60-61
    4.1.4 碱浓度对水葫芦水解产糖的研究  61-62
  4.2 微波联合稀酸(H_2SO_4)同时预处理水葫芦  62-75
    4.2.1 微波温度对有机成分和水解糖化的影响  62-66
    4.2.2 微波时间对有机成分和水解糖化的影响  66-68
    4.2.3 底物浓度对有机成分和水解糖化的影响  68-70
    4.2.4 酸浓度对有机成分和水解糖化的影响  70-72
    4.2.5 微观表面形态分析  72-75
第5章水葫芦发酵制燃料酒精机理研究  75-81
  5.1 微光波预处理水葫芦同时糖化发酵产酒精  75-78
    5.1.1 酿酒酵母产酒精  76
    5.1.2 嗜单宁管囊酵母产酒精  76-77
    5.1.3 混合酵母产酒精情况  77-78
  5.2 微波高压预处理水葫芦同时糖化发酵产酒精  78-81
    5.2.1 微波联合酸预处理水葫芦同时糖化发酵产酒精  78-79
    5.2.2 微波联合碱预处理水葫芦同时水解发酵产酒精  79-81
第6章全文总结与展望  81-84
  6.1 全文总结  81-82
  6.2 今后的工作展望  82-84
参考文献  84-88
附录  88

水葫芦微波水解和发酵制取燃料酒精的机理研究

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