超声波技术应用于植物木质纤维素预处理及酶水解的研究

论文摘要

面对日益严重的能源危机以及环境问题,以植物木质纤维素为原料生产燃料酒精成了解决这些问题并保持社会可持续发展的一条重要途径。目前,虽然关于植物木质纤维素原料的预处理和酶水解过程已经有了很多研究,但这些研究大多采用常规预处理以及酶水解方法,而以稻草作为植物木质纤维素原料,将超声波技术用于植物木质纤维素的预处理以及酶水解过程却未见报道。本文首先优化选择了酸（H2SO4）预处理法、碱（NaOH）预处理法、酸-超声波联合预处理法、碱-超声波联合预处理法四种预处理方法的最佳条件,发现酸碱处理浓度均为2.0%,时间均为60min,而应用超声波采取的功率均为120W,时间均为30min。然后分别对这四种预处理方法处理后的稻草的主要化学组分进行了分析,发现经过超声波预处理的稻草其处理后的化学组分与单纯酸碱预处理的稻草处理后的化学组分相比,均能有更多纤维素含量以及更少的半纤维素及木质素含量。接下来对经过四种方法预处理以后的稻草进行了糖化水解的条件正交优化,得出了四种方法最终的最佳工艺条件均为: pH值4.8,温度45℃,酶浓度20mg·g-1。然后对最佳工艺条件下的糖化水解过程进行了观察并分析,发现酸-超声波预处理以及碱-超声波预处理后的稻草均能在最佳工艺条件下经过108h以后达到稳定的还原糖浓度,并达到最大值,分别为26.4 g·L-1及33.0 g·L-1,而单纯酸预处理以及碱预处理后的稻草要经过120h才能使还原糖浓度稳定并达最大值,分别为26.2 g·L-1及32.7 g·L-1。最后对四种预处理方法处理后的稻草糖化水解液的主要化学成分进行了分析,总的来看,引用超声波预处理稻草的糖化水解效果要优于传统单纯的酸、碱预处理法,能使糖化水解液中有更多的葡萄糖浓度以及更少的木糖浓度,有利于提高发酵的效率,产生更多的酒精。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景与意义
• 1.1.1 能源危机与生物质能
• 1.1.2 燃料酒精及其应用
• 1.1.3 酒精的生产方法
• 1.2 植物木质纤维素及其生产酒精概述
• 1.2.1 植物木制纤维素及其应用现状
• 1.2.2 植物木制纤维素的化学组成与结构
• 1.2.3 植物木质纤维素产酒精概述
• 1.3 植物木质纤维素的预处理
• 1.3.1 植物木质纤维素预处理的必要性及目的
• 1.3.2 物理预处理法
• 1.3.3 物理化学预处理法
• 1.3.4 化学预处理法
• 1.3.5 生物预处理法
• 1.3.6 组合预处理法
• 1.4 植物木质纤维素的糖化水解
• 1.4.1 酸水解
• 1.4.2 酶水解
• 1.4.3 热解
• 1.5 植物木质纤维素的酒精发酵
• 1.5.1 发酵原料净化
• 1.5.2 发酵菌的选择与培育
• 1.5.3 常用的发酵工艺
• 1.5.4 后处理
• 1.6 超声波技术及其在化学及生物反应中的应用
• 1.6.1 超声波及其发展史
• 1.6.2 超声波作用机制
• 1.6.3 超声波技术特点及其在各个行业的应用
• 1.6.4 超声波技术用于本研究领域
• 1.7 模式底物的选择
• 1.8 本课题的研究目的与内容
• 第2章 酸及酸-超声波预处理及其处理条件对处理后稻草主要化学组成的影响
• 2.1 前言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 材料与化学品
• 2.2.2 酸预处理
• 2.2.3 酸-超声波预处理
• 2.2.4 分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 酸预处理及其处理条件对处理后稻草主要化学组成的影响
• 2.3.2 酸-超声波联合预处理及其处理条件对处理后稻草主要化学组成的影响
• 2.4 小结
• 第3章 碱及碱-超声波预处理及其处理条件对处理后稻草主要化学组成的影响
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 材料与化学品
• 3.2.2 碱预处理
• 3.2.3 碱-超声波预处理
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 碱预处理及其处理条件对稻草主要化学组成的影响
• 3.3.2 碱-超声波联合预处理及其处理条件对处理后稻草主要化学组成的影响
• 3.3.3 酸、碱预处理以及联用超声波技术预处理法的对比
• 3.4 小结
• 第4章 酸及酸-超声波预处理对稻草糖化水解的影响
• 4.1 前言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 材料与化学品
• 4.2.2 酸预处理
• 4.2.3 酸-超声波预处理
• 4.2.4 糖化水解
• 4.2.5 分析方法
• 4.2.6 正交试验设计
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 酸预处理稻草糖化水解的条件优化
• 4.3.2 酸-超声波预处理稻草糖化水解的条件优化
• 4.3.3 酸及酸-超声波预处理法处理稻草的糖化水解的过程比较
• 4.3.4 酸及酸-超声波预处理法处理稻草的糖化液化学成分比较
• 4.4 小结
• 第5章 碱及碱-超声波预处理对稻草糖化水解的影响
• 5.1 前言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 材料与化学品
• 5.2.2 碱预处理
• 5.2.3 碱-超声波预处理
• 5.2.4 糖化水解
• 5.2.5 分析方法
• 5.2.6 正交试验设计
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 碱预处理稻草糖化水解的条件优化
• 5.3.2 碱-超声波预处理稻草糖化水解的条件优化
• 5.3.3 碱及碱-超声波预处理法处理稻草的糖化水解的过程比较
• 5.3.4 碱及碱-超声波预处理法处理稻草的糖化液化学成分比较
• 5.3.5 酸、碱及联用超声波技术预处理稻草糖化水解效果的对比
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文
• 致谢