玉米秸秆超临界流体预处理工艺研究

论文摘要

玉米秸秆由纤维素、半纤维素、木质素及一些可溶性物质组成,其中纤维素含量约为35%-45%,通过酶解等过程可生产燃料、饲料、食品和药物等生物制品。近年来,随着纤维素燃料乙醇生产技术的发展,使人们对玉米秸秆的利用技术投入了更多的关注。但由于玉米秸秆中纤维素的结晶度、表面可及度以及木质素、半纤维素对纤维素的包裹等因素,影响了玉米秸秆的酶解利用效果。因此,需要对玉米秸秆原料进行必要的预处理。玉米秸秆的传统预处理工艺的研究虽然已取得了一定的进展,但通常能耗较高,要引入多种有机溶剂,增加产品的后精制难度,造成环境污染。本论文采用scCO2/水/乙醇三元混合体系对玉米秸秆进行反应萃取预处理,在提高玉米秸秆酶解产糖率的同时,减少对环境的不利影响,具有一定的工业化应用前景。论文以酶解产糖率作为玉米秸秆原料预处理效果的评价指标,对预处理溶剂选择、温度、压力、时间等工艺条件进行实验研究和讨论分析,得到较适宜的预处理条件为:溶剂与原料比40g/g原料,温度180℃,时间1h,压力15MPa,水/乙醇改性剂的体积比2:1。此预处理条件下得到秸秆酶解产糖率为77.8%,比未经预处理的玉米秸秆酶解产糖率提高8.11倍。论文对采用scCO2/水/乙醇三元混合体系对玉米秸秆进行反应萃取预处理,提高玉米秸秆酶解产糖率的机理进行了探索。通过SEM扫描电镜,FTIR傅立叶红外光谱仪等对秸秆表面形态以及微观结构进行表征,证实了玉米秸秆原料经超临界预处理后,纤维素的可及度提高,纤维素结晶度降低,半纤维素、木质素减少,为玉米秸秆超临界预处理后酶解产糖率的提高提供了理论依据。本课题提出了以玉米秸秆为原料,采用超临界CO2预处理方法使其酶解产糖率提高的新思路和新方案,对其它木质纤维素原料酶解产糖的预处理过程具有一定的借鉴和启示作用。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 玉米秸秆
• 1.1.1 成分与结构
• 1.1.2 秸秆的利用现状
• 1.2 秸秆的预处理工艺
• 1.2.1 物理法
• 1.2.2 化学法
• 1.2.3 物理化学法
• 1.2.4 生物法
• 1.2.5 预处理方法比较
• 1.3 超临界流体技术及应用
• 1.3.1 超临界流体技术
• 1.3.2 木质纤维素预处理过程的超临界技术应用
• 1.4 木质纤维素预处理效果的评价
• 1.4.1 纤维素水解
• 1.4.2 单糖含量检测
• 1.5 课题研究内容及意义
• 第二章 玉米秸秆预处理实验方法的建立
• 2.1 玉米秸秆预处理实验
• 2.1.1 实验原料、药品及仪器
• 2.1.2 实验操作方法
• 2.2 玉米秸秆酶解方法
• 2.2.1 实验原料、药品及仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 DNS 法检测还原糖含量实验
• 2.3.1 试剂与仪器
• 2.3.2 实验方法
• 2.4 反应机理研究方法
• 2.4.1 SEM 扫描电镜方法表征纤维素可及度
• 2.4.2 傅里叶红外光谱仪表征纤维素结晶度
• 2.4.3 秸秆成分分析
• 第三章 预处理实验结果与讨论
• 3.1 溶剂的选择
• 2 溶剂的选择'>3.1.1 CO₂溶剂的选择
• 2 用量的影响'>3.1.2 CO₂用量的影响
• 3.1.3 改性剂的选择
• 3.2 预处理温度的选择
• 3.3 预处理压力的选择
• 3.4 预处理时间的选择
• 3.5 适宜工艺条件的确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 超临界预处理玉米秸秆机理探讨
• 4.1 实验原料及方法
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 表面固体形态
• 4.2.2 纤维素可及度变化
• 4.2.3 纤维素结晶度分析
• 4.2.4 成分变化分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢