论文部分内容阅读
寻求新型的可再生能源对现有能源进行补充替代已成为当今世界发展亟待解决的问题。木质纤维素作为一类非常丰富的生物质资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，以木质纤维素作为原料将其通过专一性强、条件温和、抑制物产生少的酶解糖化方式转变为单糖物质进而生产能源类物质具有缓解能源危机和解决环境问题的双重作用，而木质纤维素复杂的结构限制了酶解的进行，需要通过高效的预处理手段解除其结构位阻，才能获得较为理想的酶解效率。本文以制糖工业副产品甘蔗渣作为原料，采用高温液态水预处理及氨法预处理两种环保高效的预处理方法以脱除半纤维素及木质素，以两种方法对预处理工艺条件进行优化，同时对预处理情况与酶解之间的关系进行了初步探讨，最后研究了高温液态水-氨法两步耦合预处理的新型预处理工艺。
在间歇反应器中对甘蔗渣的预处理参数进行了优化，在间歇反应条件，且外加压力条件下的最优化工艺为:160℃，4MPa(N2)，20min，底物浓度5％，在该条件下能够获得74.29％的总木糖收率;分别进行了饱和蒸汽压及O2加压条件下的高温液态水预处理试验，180℃饱和蒸汽压，20min，底物浓度5％条件下能够获得85.02％的总木糖收率;而O2加压条件下能够获得更高的木质素脱除率;连续渗滤反应方式在180℃，反应液流量30ml/min，反应时间15min时获得具有4.17g/L总木糖糖含量的水解液，此时总木糖收率可达93.95％。对比分析了两种反应器中的高温液态水预处理，发现反应器的形态也是影响预处理效果的重要因素，连续渗滤反应器能够获得高木糖收率和低副产物生成，但耗水量大于间歇法，需要进一步的改进措施降低耗水量。
在常压低温条件下的氨法预处理试验中，15％，70℃，15h为较优条件，在该条件下有61.48％的木质素脱除率，87.58％的葡聚糖保留率和17.20％的木聚糖脱除率;在加压氨法预处理试验中，在1∶10固液比，160℃，25％氨水浓度条件下能够获得83.96％的木质素脱除率，此时葡聚糖保留率为87.48％，木聚糖脱除率为49.68％;在获得较为理想的木质素脱除率情况下氨法预处理能够得到很好的葡聚糖保留率。
对两种预处理方法所得残渣进行了酶解糖化实验，在加压情况下180℃，4MPa，20min条件下进行的预处理试验能够获得81.30％的总糖收率，180℃饱和蒸汽压条件下处理20min所得残渣总糖收率达到83.25％;氨法预处理中，160℃，25％，60min，固液比1∶10条件下所得残渣酶解率达98.49％，此时总糖收率为74.71％。对比分析发现，酶解率同物料对酶可及度和木质素含量均相关，脱除半纤维素比脱除木质素能够对木质纤维素的三维复杂结构产生更剧烈的破坏，形成更多的孔状结构提高物料对酶分子的可及度，从而提高酶解率;而木质素脱除能够降低对酶分子的不可逆吸附;经过预处理之后细胞壁各层之间差异性减小，木质素及纤维素在各层中的含量趋于接近，对木质素来讲，其迁移重新分布(LHW)或者脱除(AA)为其原因;而半纤维素(LHW)或者木质素(AA)的脱除为纤维素特征峰峰强趋于接近的原因。
高温液态水预处理残渣经氨法预处理后酶解率有明显提高，残渣的酶解率由77.96％（单一高温液态水法）升高至97.99％，同时总糖收率由81.30％提高至87.85％;氨法预处理残渣经高温液态水预处理后其酶解率由98.49％提高至99.70％，提高幅度不大，总糖收率有略微升高;两步耦合处理第一步处理对最终结果影响大于第二步，经第一步处理后，第二步脱木质素或者脱半纤维素效果减弱，两步耦合预处理所得残渣的表面结构形态、细胞壁超微结构等物料特性均与第一步有明显的继承关系，而第二步对物料形态特性的影响较弱;梯度酶解试验显示在一定程度上增大自由酶的浓度（减少对酶有不可逆吸附的木质素含量）对于提高酶解率有重要作用，进一步证明两类预处理方法不同的改善酶解的机理不同;LHW-AA两步耦合预处理环境友好，并结合了高温液态水及氨法的优势，在对木质纤维素高效预处理的基础上，能够将木质纤维素三大组分充分分离，为实现生物质原料全组分利用打下了坚实基础。