玉米秸秆发酵前金属离子处理及动力学研究

【摘要】：木质纤维素（如玉米秸秆）是一种可再生的生物质资源，主要由半纤维素、木质素和纤维素组成。其中纤维素目前被广泛应用于发酵、化工等行业中。我国是个农业大国，每年有几亿吨农作物秸秆废弃物产生，如果对这些废弃秸秆进行综合利用，如利用玉米秸秆发酵产乳酸、生物乙醇等，不仅可以有效的减少环境污染，而且还能带来巨大的社会效益和经济效益。因此，利用玉米秸秆来生产乳酸等生物产品是一种有效的废物利用方式，然而合理的预处理方法是降低生产成本，促进酶解高效转化的关键。 本论文以玉米秸秆为研究对象，首先采用均匀设计法优化三种金属离子溶液预处理玉米秸秆工艺条件，考察了其对玉米秸秆酶解效率及结构的影响，然后，将金属离子溶液预处理方法作为一种新的活化方式，运用响应面设计法优化了离子液体[BMIM]Cl处理秸秆活化后条件，并将其处理后的物料与原料进行了对比分析，最后确定三氯化铁溶液为最优活化方式，并对其活化后的玉米秸秆物料进行了热动力学分析研究，以为实际的工业化生产提供参考。 首先，选取三氯化铁溶液、氯化锌溶液、三氯化铝溶液作为预处理方法，采用均匀实验设计优化方法，运用DPS软件对金属离子预处理玉米秸秆进行了优化实验，并对预处理前后的玉米秸秆组分和结构进行了分析。酶解实验结果表明，与未经任何的处理玉米秸秆相比，金属离子溶液预处理后的样品还原糖产率分别提高了131.6%,119.4%,46.6%；组分分析结果表明，处理后物料的非定形物质显著减少，纤维素相对含量分别提高了72.19%,18.54%,7.95%；XRD和SEM结果表明秸秆空间结构被破坏。最佳还原糖产率金属离子溶液预处理工艺参数：三氯化铁溶液浓度0.6mol/l、反应温度170℃、反应时间15min、液固比10:1ml/g；氯化锌溶液浓度0.6mol/l、反应温度120℃、反应时间30min，液固比10:1ml/g；三氯化铝溶液浓度0.3mol/l、反应温度170℃、反应时间30min，液固比15:1ml/g。 其次，选取最优条件下三种金属离子溶液活化处理后的物料，采用新近发展的离子液体分别溶解上述物料，利用响应曲面法进行实验，确定最优条件，并对处理前后的物料结构和组分含量进行了分析。实验结果表明，与未经任何处理的玉米秸秆原料相比，酶解还原糖产率分别提高了157.85%，154.14%，150.41%；化学组分及结构形貌分析表明：离子液体处理后物料纤维素含量显著增加，分别提高了68.11%，63.24%，60.54%；XRD和SEM结果表明经过离子液体处理后物料相对结晶度降低，此结构更有利于纤维素酶分子的吸附。最佳还原糖产率离子液体处理金属离子溶液活化后物料工艺参数：离子液体处理三氯化铁溶液活化后物料，底物质量分数为4.2%，反应温度为85℃，反应时间为185min；离子液体处理氯化锌溶液活化后物料，底物质量分数为3.8%，反应温度为103℃，反应时间为357min;离子液体处理三氯化铝溶液活化后物料,底物质量分数为3.6%，反应温度为105℃，反应时间为230min。 最后，综合还原糖酶解得率及活化处理后物料的结构分析结果，表明三氯化铁溶液活化处理后的物料结果最优，因此选择经三氯化铁溶液活化以及离子液体[BMIM]Cl处理活化后的玉米秸秆物料进行热动力学分析研究。结果表明，玉米秸秆热解过程分为:失水、主反应、碳化分解阶段；处理后物料的热稳定顺序为:原料＞三氯化铁溶液处理＞离子液体处理三氯化铁溶液活化。 本论文首次对三种金属离子溶液预处理玉米秸秆的工艺进行了优化研究，并对三氯化铁溶液处理后物料的热动力学机理进行了深入分析，这些基础研究将为木质纤维素的工业化应用提供重要价值。 【关键词】：玉米秸秆 酶解 金属离子 离子液体 热力学
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 问题的提出及研究意义10-11
• 1.1.1 问题的提出10
• 1.1.2 研究意义与目的10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 木质纤维素的结构11
• 1.2.2 木质纤维素的资源化利用11-12
• 1.2.3 木质纤维素的预处理技术12-14
• 1.2.4 木质纤维素的热动力学分析研究14
• 1.2.5 木质纤维素利用中的主要问题14-15
• 1.3 本课题研究的目的及主要内容15-16
• 1.3.1 研究目的15
• 1.3.2 本课题研究的主要实验方法和内容15
• 1.3.3 创新点15-16
• 2 金属离子溶液预处理工艺的优化16-32
• 2.1 前言16
• 2.2 材料和方法16-22
• 2.2.1 原料16
• 2.2.2 纤维素酶16-17
• 2.2.3 试剂与仪器17
• 2.2.4 三种金属离子预处理玉米秸秆原料17-18
• 2.2.5 酶解18-19
• 2.2.6 分析方法19-22
• 2.3 结果分析22-29
• 2.3.1 均匀实验结果22-26
• 2.3.2 组分及 FTIR 分析26-28
• 2.3.3 XRD 分析28
• 2.3.4 SEM 分析28-29
• 2.4 讨论29-30
• 2.4.1 金属离子预处理各因素对玉米秸秆酶解还原糖产率的影响29
• 2.4.2 金属离子预处理对玉米秸秆物料各组分的影响29-30
• 2.4.3 金属离子预处理对玉米秸秆物料晶体结构的影响30
• 2.4.4 金属离子预处理对玉米秸秆物料形貌的影响30
• 2.5 小结30-32
• 3 离子液体处理金属离子溶液活化后玉米秸秆及酶解研究32-48
• 3.1 前言32
• 3.2 材料和方法32-35
• 3.2.1 原料32-33
• 3.2.2 纤维素酶33
• 3.2.3 离子液体[BMIM]Cl 处理金属离子溶液活化玉米秸秆33
• 3.2.4 酶解33
• 3.2.5 响应曲面法优化酶解实验33-34
• 3.2.6 分析方法34-35
• 3.3 结果分析35-45
• 3.3.1 响应曲面法优化实验结果35-42
• 3.3.2 组分及 FTIR 分析42-44
• 3.3.3 XRD 分析44-45
• 3.3.4 SEM 分析45
• 3.4 讨论45-47
• 3.4.1 响应曲面各因素对酶解结果的影响45
• 3.4.2 离子液体处理金属离子活化后玉米秸秆各组分的影响45-46
• 3.4.3 离子液体处理金属离子活化后玉米秸秆结晶度的影响46-47
• 3.4.4 离子液体处理金属离子活化后玉米秸秆形貌的影响47
• 3.5 小结47-48
• 4 离子液体处理三氯化铁溶液活化后秸秆纤维素热解动力学研究48-56
• 4.1 前言48
• 4.2 材料和方法48-49
• 4.2.1 原料48
• 4.2.2 离子液体48
• 4.2.3 离子液体处理三氯化铁溶液活化玉米秸秆48
• 4.2.4 木质纤维素热降解动力学实验方法48-49
• 4.2.5 分析方法49
• 4.3 结果分析49-54
• 4.3.1 热解速率对玉米秸秆热降解特性的影响49-50
• 4.3.2 预处理方式对玉米秸秆热稳定特性的影响50-54
• 4.4 讨论54
• 4.4.1 热解速率对玉米秸秆热降解特性的影响54
• 4.4.2 预处理方式对玉米秸秆热稳定特性的影响54
• 4.5 小结54-56
• 5 结论与展望56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 展望57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-66
• 附录66-67
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录66
• B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录66-67
• C 作者在攻读学位期间参加的科研项目67

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