楊木廢棄物預處理技術(shù)和水解反應動力學的研究.pdf

1、本文以紙廠備料段的楊木廢棄物為原料，對預處理工藝（包括濕氧化法、亞硫酸氫鈉法、機械法和黃孢原毛平革菌法）的效果進行了研究，采用X-射線衍射、掃描電鏡、熱重分析儀、紅外光譜、高效液相色譜和氣質(zhì)聯(lián)用等分析手段對預處理所得物料和預處理液進行了分析，從而表征預處理過程中發(fā)生的物理化學變化；探討了物料水解工藝（包括濃硫酸、稀硫酸和纖維素酶水解）對纖維轉(zhuǎn)化率的影響，對水解殘渣和水解液進行了表征，并建立了相應的動力學模型；最后對酶解液進行發(fā)酵成功制取

2、了乙醇。
　　濕氧化預處理是氧和堿在熱高壓條件下與木質(zhì)纖維原料反應的處理工藝，可以有效地脫除半纖維素，獲得以纖維素為主的物料（預處理物料的纖維素含量63.26％，聚戊糖含量2.77%），且所得物料的可酶解性較高。較優(yōu)的工藝條件為：初始pH值為10，最佳保溫時間15min，氧壓1.2MPa，溫度195oC，在此條件下得到的還原糖產(chǎn)率為46.75%。X-射線衍射圖譜顯示原料的結(jié)晶度從85.42%降到了65.74%，掃描電鏡顯示纖維細纖

3、維化程度增強，紅外光譜分析顯示木素發(fā)生了降解反應，這些變化均有利于后續(xù)纖維素酶水解反應的進行。濕氧化預處理工藝是一種行之有效的預處理手段，為木質(zhì)生物質(zhì)制取燃料乙醇開辟了新的途徑。
　　NaHSO3預處理是基于木素的磺化溶出反應來增強木質(zhì)纖維原料的可酶解性。較優(yōu)的工藝條件為：NaHSO3用量6.0%，液比1:3，溫度200oC，保溫時間30min，在此條件下所得預處理物料殘余木素占原料的16.7%，聚戊糖占1.66%，物料酶解所得還

4、原糖產(chǎn)率為41.55%。X-RD表明預處理后物料的結(jié)晶度降為31.57%，SEM顯示出纖維表面呈魚鱗狀凸起，比表面積增加，為后續(xù)纖維素酶的水解提供了有利條件。
　　機械預處理通過改變纖維粒度及增大比表面積來改善其酶解性，但是改善效果不明顯，破碎預處理物料的比表面積比盤磨預處理物料大，但可酶解性較差（酶解還原糖產(chǎn)率分別為8.11%和9.88%）。進一步對機械預處理物料進行亞硫酸氫鈉處理后，兩者物料的酶解性能都有很大提高，而且破碎預處

5、理物料的可酶解性高于盤磨預處理（酶解還原糖產(chǎn)率分別為45.17%和42.56%）。
　　黃孢原毛平革菌預處理可以選擇性地降解木質(zhì)纖維原料中的木素，從而改善物料的酶解效果。在接種量25%，33oC環(huán)境中靜置培養(yǎng)28天的預處理物料經(jīng)過滅菌和堿處理后，酶解還原糖得率為14.51%。木素被選擇性地脫除（占原料的13.98%）。堿抽提液的GC-MS分析顯示，木素中的Cα-Cβ鍵發(fā)生氧化斷裂，部分木素發(fā)生了甲基化等反應。
　　經(jīng)過對比，

6、濕氧化預處理效果最好，所得底物的酶解性能最高，NaHSO3預處理次之，而機械預處理和白腐菌預處理效果較差，因此，繼續(xù)研究了濕氧化預處理底物的酶解歷程和酶解液的發(fā)酵。
　　利用纖維素酶對濕氧化預處理物料進行了水解，響應面分析法得到酶水解的最優(yōu)工藝條件為：酶解溫度49oC，酶解時間56h，酶用量38FPU/g，在此條件下所得纖維轉(zhuǎn)化率為96.39%。水解液中只含有葡萄糖和木糖兩種單糖，其中葡萄糖含量最多（占總糖量的97.54%），水解

7、殘渣的結(jié)晶度大幅下降。對纖維素酶水解過程進行了研究，得出纖維素酶水解動力學方程式可以表達為YC=17.84×C0.4244×(1-e-0.2023t)×100%（R2=0.8658）。
　　采用濃硫酸對楊木廢棄物進行水解，響應面分析法得到濃酸水解的最優(yōu)工藝為：溫度50.97oC，時間120min，硫酸濃度60%，所得纖維轉(zhuǎn)化率為90.81%。HPLC分析結(jié)果表明所得水解液的主要成分為葡萄糖（占總糖量的60.49%，木糖占19.84

8、%），另含有單糖降解物（主要為乙酸和羥甲基糠醛）。X-RD表明水解殘渣結(jié)晶度下降幅度較大，濃酸水解動力學方程YC=39.24×T0.1808×(1-e-0.0726t)×100%（R2=0.8105）。
　　采用稀酸對楊木廢棄物進行水解，響應面分析法得到稀酸水解的最優(yōu)工藝為：溫度158oC，時間5min，酸濃2.5%，所得纖維轉(zhuǎn)化率為52.97%。水解液中主要成分是木糖（占總糖量的64.80%，葡萄糖占18.93%），而水解液中的

9、單糖降解物很少，說明在稀酸水解過程中只有極少量的碳水化合物發(fā)生了降解，水解物料的結(jié)晶度降低。
　　對釀酒酵母發(fā)酵工藝（以葡萄糖為底物）進行了優(yōu)化，得到最佳發(fā)酵條件為：發(fā)酵溫度33oC，底物濃度7.5g/L，發(fā)酵液初始pH值5.25，接種量5%，轉(zhuǎn)速160r/min，發(fā)酵時間48h，在此條件下所得乙醇轉(zhuǎn)化率為82.99%。對濕氧化預處理物料的纖維素酶水解液進行濃縮和脫毒后在最佳發(fā)酵條件下發(fā)酵，所得乙醇轉(zhuǎn)化率為70.83%。對楊木廢棄