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温和碱性H2O2与离子液体水溶液联合预处理稻秆及离子液体循环利用的研究

2020-12-08阅读(900)

温和碱性H2O2与离子液体水溶液联合预处理稻秆及离子液体循环利用的研究

论文摘要

随着全球化石燃料供应的日益短缺和使用化石燃料带来的环境恶化问题不断突出,寻找一种可替代的可再生能源迫在眉睫。木质纤维素废弃物是地球上最丰富的可再生生物质,其中稻秆作为最丰富和最具吸引力的木质纤维素废弃物之一,具备用来生产生物燃料的巨大潜力。但是由于稻秆自身的紧密抗性结构,很难直接被降解,需要经过有效的预处理来破坏木质素和半纤维素对纤维素的包封结构,提高稻秆的可降解性能。近些年离子液体预处理木质纤维素受到很多关注,因为离子液体有着独特的高热和化学稳定性、环境友好、能溶解许多种物质,并且能回收循环使用等性质。本论文探究了温和碱性H2O2与离子液体水溶液联合预处理稻秆的可行性,对预处理效果进行了评价,并通过一系列表征方法初步研究了联合预处理的机制。在此基础上探究了高底物浓度下批次补料工艺对酶解的影响和酵母乙醇发酵,此外还详细研究了离子液体的循环利用。优化出的温和碱性H2O2处理稻秆条件为:3%（w/w）H2O2,15%（w/v）固体载量,pH 11.5,温度30°C,时间2 h。采用温和碱性H2O2与最优含有30 wt%水的离子液体[Bmim]Cl水溶液联合预处理稻秆,能显著提高稻秆的酶解效率和发酵效率至92.1%和91.0%。碱性H2O2能通过自由基氧化去除部分木质素,破坏稻秆的结构,有助于稻秆中的无定型组分溶解在[Bmim]Cl水溶液中,使得大量木质素被去除,联合预处理木质素去除率可达到63.8%,结晶度由未处理稻秆的29.2增加到联合预处理稻秆的46.8。分别研究了预处理的稻秆在高底物浓度下的酶解和发酵性能。考察了降低酶量对酶解的影响以及不同补料模式下的酶解情况,降低酶的用量,联合预处理的稻秆仍能维持较好的酶解效果。在30%（w/v）底物浓度下,补加酶的方式能提高联合预处理稻秆的酶解效率,在酶解48 h时,补加酶的模式还原糖浓度可达到147.4 g/L,而批次模式只有127.2 g/L。同时研究了在高底物浓度下进行同步糖化共发酵（SScF）和分步糖化发酵（SHF）,结果显示SScF工艺要优于SHF。在不同底物浓度下进行SScF,随着发酵底物浓度的提高,乙醇浓度不断增加至91.9 g/L,琥珀酸的产量随着乙醇产量的增加而增加,它们存在一定的线性相关性。通过外源添加不同浓度的代谢产物琥珀酸并不能使发酵更多的流向乙醇,无法增加乙醇的产量。对离子液体的循环利用进行了研究,将不同循环次数离子液体预处理的稻秆进行组分测定,酶解分析以及各种表征分析。回收的离子液体中由于残留有少量的再生溶剂K3PO4盐溶液,用其预处理稻秆有助于进一步去除部分木质素,提高了稻秆的酶解效率。循环利用了8次的离子液体预处理稻秆,还能保持很高的酶解效率（98.9%）,进一步证明了建立的联合预处理方法的有效性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 木质纤维素预处理
  •     1.1.1 物理方法
  •     1.1.2 化学方法
  •     1.1.3 物理化学方法
  •     1.1.4 生物方法
  •   1.2 离子液体预处理木质纤维素研究现状
  •     1.2.1 离子液体简介
  •     1.2.2 离子液体对木质纤维素的预处理
  •   1.3 离子液体循环利用的研究进展
  •     1.3.1 离子液体回收方法
  •     1.3.2 离子液体的循环利用
  •   1.4 木质纤维素发酵生产乙醇的发展状况
  •   1.5 本课题的研究意义及内容
  • 2O2 与离子液体水溶液联合预处理稻秆'>第二章 碱性H2O2与离子液体水溶液联合预处理稻秆
  •   2.1 引言
  •   2.2 实验材料
  •     2.2.1 主要仪器设备
  •     2.2.2 主要试剂
  •   2.3 实验方法
  • 2O2/离子液体预处理'>    2.3.1 碱性H2O2/离子液体预处理
  •     2.3.2 纤维素酶水解
  •     2.3.3 同步糖化共发酵（SScF）
  •     2.3.4 稻秆组分的测定
  •     2.3.5 扫描电镜（SEM）的分析
  •     2.3.6 X射线衍射（XRD）的分析
  •     2.3.7 傅里叶红外光谱（FTIR）的分析
  •   2.4 结果与讨论
  • 2O2 预处理稻秆研究'>    2.4.1 碱性H2O2预处理稻秆研究
  • 2O2 与离子液体水溶液联合预处理稻秆研究'>    2.4.2 碱性H2O2与离子液体水溶液联合预处理稻秆研究
  •     2.4.3 离子液体水溶液含水量对稻秆预处理的影响
  •     2.4.4 预处理稻秆的SScF研究
  •     2.4.5 联合预处理机理的初步探讨
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 预处理稻秆的酶解及其批次补料工艺研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 实验材料
  •     3.2.1 主要仪器设备
  •     3.2.2 主要试剂
  •   3.3 实验方法
  •     3.3.1 稻秆预处理
  •     3.3.2 离子液体的回收
  •     3.3.3 预处理后稻秆的酶解
  •   3.4 结果与讨论
  •     3.4.1 高浓度预处理稻秆的酶解研究
  •     3.4.2 酶的用量对预处理稻秆酶解的影响研究
  •     3.4.3 酶和底物的流加对预处理稻秆酶解的影响研究
  •     3.4.4 回收离子液体预处理稻秆的酶解研究
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 预处理稻秆的同步糖化共发酵产乙醇和琥珀酸研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 实验材料
  •     4.2.1 主要仪器设备
  •     4.2.2 主要试剂
  •   4.3 实验方法
  •     4.3.1 稻秆预处理
  •     4.3.2 离子液体的回收
  •     4.3.3 分步糖化发酵（SHF）
  •     4.3.4 同步糖化共发酵（SScF）
  •     4.3.5 不同浓度的琥珀酸对酵母发酵产乙醇的影响
  •   4.4 结果与讨论
  •     4.4.1 预处理稻秆的SHF与 SScF的比较研究
  •     4.4.2 高浓度预处理稻秆的SScF研究
  •     4.4.3 不同预处理方法对稻秆的SScF产琥珀酸的影响研究
  •     4.4.4 琥珀酸对酵母发酵特性的影响研究
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 离子液体的循环利用研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 实验材料
  •     5.2.1 主要仪器设备
  •     5.2.2 主要试剂
  •   5.3 实验方法
  •     5.3.1 稻秆预处理
  •     5.3.2 离子液体的回收
  •     5.3.3 纤维素酶水解
  •     5.3.4 稻秆组分的测定
  •     5.3.5 稻秆的表征分析
  •   5.4 结果与讨论
  •     5.4.1 离子液体循环次数对稻秆组分的影响
  •     5.4.2 离子液体循环次数对稻秆酶解的影响
  •     5.4.3 循环离子液体预处理稻秆的表征分析
  •   5.5 本章小结
  • 结论与展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 洪莹莹

    导师: 朱明军

    关键词: 稻秆,离子液体水溶液预处理,酶解,同步糖化共发酵,离子液体循环

    来源: 华南理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 生物学,有机化工,一般化学工业

    单位: 华南理工大学

    分类号: TQ223.122;TQ920.1

    DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.001011

    总页数: 82

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