亚硫酸氢镁预处理玉米秸秆制备乙醇的研究

【摘要】：本论文围绕玉米秸秆亚硫酸氢镁预处理技术展开研究,探讨了玉米秸秆生物炼制生产燃料乙醇过程中的关键参数进行了探讨,如预处理玉米秸秆的组成结构,酶解性能和预处理玉米秸秆酶解糖化技术及发酵制备乙醇工艺等。并在此基础上,建立了一种清洁、高效的以亚硫酸氢镁为核心的木质纤维原料预处理技术。亚硫酸氢镁预处理能有效脱除玉米秸秆中的木质素、半纤维素组分,对纤维素破坏较小,并且不改变玉米秸秆的化学结构。在亚硫酸氢镁浓度5.27%(w/v)、亚硫酸镁:亚硫酸=1:4(pH=5.13,催化主体为亚硫酸氢镁)、预处理温度170 oC下保温60 min的条件下,玉米秸秆木质素、半纤维素脱除率分别达到89.09%、80.28%。预处理玉米秸秆在纤维素浓度30 g/L、纤维素酶用量15 FPU/g纤维素、β-葡萄糖苷酶用量30 IU/g纤维素,50 oC,150 rpm条件下酶解48 h,酶解率为90.44%。添加PEG会略微降低木质素脱除率,但有助于酶解效率的提高。当PEG6000用量为0.08 g/g纤维素时,预处理玉米秸秆的酶水解性能提升达到9.07%。建立了以亚硫酸氢镁预处理玉米秸秆为底物的高浓度酶解工艺。纤维素酶用量为20 FPU/g纤维素、β-葡萄糖苷酶用量为40 IU/g纤维素条件下,采用机械搅拌分批补料一次加酶方式酶解30%底物浓度预处理玉米秸秆,经96 h酶解,酶解液中葡萄糖浓度为160.84 g/L,纤维二糖浓度为31.78 g/L,木糖浓度为24.30g/L,酶解率为72.83%。并发现证实了亚硫酸氢镁预处理玉米秸秆高浓度酶解工艺中存在较为严重的β-葡萄糖苷酶的转糖苷作用。针对亚硫酸氢镁预处理玉米秸秆技术进行了玉米秸秆预处理酶解制取乙醇的物料衡算。使用低底物浓度酶解工艺,每千克原料玉米秸秆可得到167.2 g乙醇,相当于每千克乙醇需要5.98 kg原料玉米秸秆。使用高底物浓度酶解工艺,每千克原料玉米秸秆可得到111.6 g乙醇,且浓度为62.08 g/L,相当于每千克乙醇需要8.96 kg原料玉米秸秆,酶解液中有较多酵母不可利用的纤维二糖。 【关键词】：亚硫酸氢镁预处理 玉米秸秆 乙醇 高底物浓度酶解 转糖苷作用
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ914.3;TQ223.122
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 前言8-9
• 2 文献综述9-18
• 2.1 预处理技术研究进展9-13
• 2.1.1 物理法9
• 2.1.2 化学法9-12
• 2.1.3 物理化学法12-13
• 2.2 酶解糖化技术研究进展13-14
• 2.3 纤维素乙醇发酵研究进展14-16
• 2.3.1 乙醇发酵途径14-15
• 2.3.2 乙醇发酵菌株15
• 2.3.3 抑制物对乙醇发酵的影响15-16
• 2.4 研究目的和主要研究内容16-18
• 2.4.1 研究目的16-17
• 2.4.2 研究内容17-18
• 3 亚硫酸氢镁预处理对玉米秸秆组成结构和酶解性能的影响18-47
• 3.1 材料与方法18-23
• 3.1.1 原料与酶18
• 3.1.2 六水合亚硫酸镁制备18
• 3.1.3 实验方法18-20
• 3.1.4 分析方法20-23
• 3.2 结果与讨论23-45
• 3.2.1 预处理条件主要因素的筛选23-25
• 3.2.2 盐浓度对预处理效果的影响25-30
• 3.2.3 亚硫酸用量对预处理效果的影响30-36
• 3.2.4 温度对预处理效果的影响36-39
• 3.2.5 保温时间对预处理效果的影响39-42
• 3.2.6 PEG添加对酶解糖化工艺的强化42-45
• 3.3 本章小结45-47
• 4 亚硫酸氢镁预处理玉米秸秆糖化工艺的研究47-61
• 4.1 材料与方法47-49
• 4.1.1 酶液47
• 4.1.2 预处理玉米秸秆的制备47
• 4.1.3 实验方法47-49
• 4.1.4 分析方法49
• 4.2 结果与讨论49-59
• 4.2.1 低底物浓度酶解条件优化49-52
• 4.2.2 高底物浓度酶解条件优化52-55
• 4.2.3 β-葡萄糖苷酶在高浓条件下对酶解的限制性作用分析55-59
• 4.2.4 最佳预处理酶解糖化工艺放大59
• 4.3 本章小结59-61
• 5 预处理酶解液发酵制备乙醇的研究和工艺衡算61-71
• 5.1 材料与方法61-63
• 5.1.1 乙醇发酵菌株及培养基61-62
• 5.1.2 发酵实验62
• 5.1.3 分析方法62-63
• 5.2 结果与讨论63-70
• 5.2.1 适应于预处理玉米秸秆酶解液发酵的菌种筛选63-64
• 5.2.2 高浓度玉米秸秆酶解液发酵制备乙醇实验64-65
• 5.2.3 添加游离β-葡萄糖苷酶辅助发酵玉米秸秆酶解液65-66
• 5.2.4 玉米秸秆酶解糖化制备乙醇工艺衡算66-70
• 5.3 本章小结70-71
• 6 结论与展望71-74
• 6.1 结论71-72
• 6.2 特色与创新72
• 6.3 展望72-74
• 攻读学位期间发表的学术论文74-75
• 参考文献75-79

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