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本文以资源综合利用为目的,对植物纤维废弃物中的玉米秸秆、玉米芯及纺织厂残棉的水解进行了研究,水解方式包括浓硫酸水解、稀硫酸水解、纤维素酶水解;并对水解液的乳酸发酵利用进行了初步探索。 本文研究了纤维材料的浓硫酸水解,考察温度、硫酸浓度(50%~80%)、原料粒度、底物浓度对水解的影响。通过实验发现,影响玉米秸秆浓硫酸水解的主要影响因素是硫酸浓度和水解温度,底物浓度和颗粒尺寸对水解速度及还原糖产率影响较小。对于玉米秸秆,水解速率随温度提高而提高,随硫酸浓度提高而提高,但是浓硫酸浓度超过70%、温度超过60℃时,单糖降解速率大于纤维的水解速率。此外,研究了玉米秸秆浓硫酸水解的动力学,建立了动力学模型,该模型能较好的关联实验数据。浓硫酸水解的优点是常温常压下操作,糖产率高,缺点是酸消耗量大,并且硫酸回收困难,容易造成环境污染。因此,考虑研究纤维材料的稀硫酸水解。 国内利用稀硫酸处理玉米芯的研究较少,本文在常压条件下研究了纤维材料的稀硫酸水解,考察温度、硫酸浓度(0.5%~3%)、原料粒度、固液比对水解的影响。研究表明,水解速率随温度提高而提高,水解速率随硫酸浓度提高而提高,当硫酸浓度是1%时,不但水解速率快,而且纤维水解得率高,但硫酸浓度超过2%时,反应后期单糖开始降解。将玉米秸秆和残棉在相同条件下进行反应,发现,玉米芯的水解效率及还原糖含量都较高,其次为玉米秸秆。通过实验研究,不但得到最佳水解条件,而且所得水解效率及水解液中还原糖的浓度都较高。稀硫酸水解的优点是水解速率大,可不回收酸,缺点是葡萄糖含量低,后续发酵利用较困难,水解温度高。所以,考虑研究酶水解。 目前,大多数酶水解研究都采用Trichoderma reesi和Trichoderma viride,这些酶还处在实验研究阶段,反应速率也较慢。本实验采用Cellusoft L和Suhong Cellish L进行纤维素酶水解研究,这两种纤维素酶均为纺织王业中用于棉麻织物抛光的制剂,在本实验中将其用于废弃纤维材料的生物降解,属首创,还未见相关报道,并且取得良好效果,该酶水解速率较高,24小时已基本达到平衡值。本实验采用的两种酶已应用于纺东华大学硕士学位论文织品的工业化生产,一旦纤维素酶水解条件成熟,可立即大规模投入生产,从而节省纤维素酶研发的时间和费用。 酶水解的主要影响因素为温度、Pfl值、微量元素及底物浓度,以酶解得率为主要指标设计了四因素三水平的正交实验。并研究了时间对酶解的影响,对不同纤维素酶及不同材料的酶解也进行了初步研究。通过本实验得出:玉米秸秆降解到48h时反应可以停止;温度和pH对酶解效率的影响明显;微量的金属离子MnZ‘、FeZ十能促进酶的降解,而过多的金属离子则不利于纤维素的降解。在相同条件下研究了残棉和玉米芯的转化,玉米芯的转化率较高。酶水解优点是糖产率较高,反应条件温和,降解少,糖质量好,缺点是酶成本高,水解速率小。 最后,采用米根霉对水解液的乳酸发酵进行初步研究。稀酸水解液中木糖含量超过90%,米根霉利用木糖较慢,第三天开始产酸。米根霉对酶水解液的适应时间也较长。