【摘要】：木薯秸稈中的纖維素和半纖維素含量高達(dá)40%以上,是一種優(yōu)良的木質(zhì)纖維素原料,但目前多焚燒或丟棄,造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。鑒于近年來,C-5和C-6糖共代謝技術(shù)的發(fā)展,本文首次提出木薯秸稈兩步水熱自催化及強(qiáng)化預(yù)處理工藝,實(shí)現(xiàn)木薯秸稈原料資源化利用。首先針對木薯秸稈原料中的半纖維素和纖維素組分在亞臨界條件下的水熱反應(yīng)特點(diǎn),以最大限度地提高C-5糖和C-6糖收率為目標(biāo),開展了亞臨界條件下木薯秸稈兩步水熱預(yù)處理實(shí)驗(yàn)研究。研究了不同處理?xiàng)l件對C-5糖(木糖+阿拉伯糖)、C-6糖(葡萄糖)、副產(chǎn)物乙酸、乳酸、甲酸以及糠醛、5-HMF等生成規(guī)律及酶解效果的影響,確定了木薯秸稈兩步水熱預(yù)處理適宜的工藝條件為:第一步為在溫度180°C下反應(yīng)60 min,此時(shí)預(yù)處理液中C-5糖收率為68.49%,酶解液中C-6糖收率為45.62%;第二步為在溫度200°C下反應(yīng)20 min,預(yù)處理后的固體通過酶解實(shí)驗(yàn)獲得的C-6糖收率為81.02%。在木薯秸稈兩步水熱預(yù)處理工藝的基礎(chǔ)上,首次提出了將木薯秸稈原料預(yù)處理液部分回用富集自產(chǎn)酸的兩步自催化工藝,實(shí)現(xiàn)對原料的高效利用。實(shí)驗(yàn)表明:第一步自催化適宜的工藝條件為:預(yù)處理液酸濃度0.93 wt%、pH值3.90、反應(yīng)溫度180°C、反應(yīng)時(shí)間60 min時(shí),C-5糖單程收率為81.12%。通過第二步自催化研究發(fā)現(xiàn),第二步水熱預(yù)處理?xiàng)l件為:反應(yīng)溫度200°C、反應(yīng)時(shí)間20min,預(yù)處理后固體在酶解反應(yīng)中C-6糖收率達(dá)到88.60%;并且酸度對第二步預(yù)處理效果的影響不大。本文開展了多種有機(jī)酸對木薯秸稈水解過程影響的研究,通過在同一酸強(qiáng)度下,用不同種類有機(jī)酸對半纖維素的降解效果的研究,以及對于乙酸、乳酸、甲酸等三種有機(jī)酸混合比例的優(yōu)化,建立了中心響應(yīng)曲面的多因子模型,獲得了多種有機(jī)酸混合物水解木薯秸稈的最佳工藝條件:反應(yīng)溫度180°C,反應(yīng)時(shí)間60 min,1.03 wt%乙酸,0.83 wt%乳酸,1.13 wt%甲酸,模型預(yù)測的C-5糖收率為90.12%,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證C-5糖收率為89.06%,預(yù)測精度達(dá)98.82%。以此為基礎(chǔ),建立了三種有機(jī)酸催化木薯秸稈半纖維素水解過程動(dòng)力學(xué)模型,比較了不同反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)和活化能,得到多種有機(jī)酸催化木薯秸稈水解生成C-5糖的適宜反應(yīng)溫度在160~180°C范圍內(nèi)。
【圖文】：

圖 1-1. 基于質(zhì)量平衡的木薯乙醇生產(chǎn)流程示意圖[21].1-1. Schematic diagram of cassava-based ethanol production process based on ance[21]2 木薯秸稈及應(yīng)用2.1 木薯秸稈木薯在良好的環(huán)境條件下具有較高的生物產(chǎn)量，，能夠適應(yīng)生物和非生的環(huán)境，例如貧瘠的土壤。木薯屬于大戟科植物，株高 2~5 m，其秸稈約占木薯產(chǎn)量的 70~80 %[22]。木薯秸桿皮厚而軟，中心髓部呈海綿狀，高水分，所以很難曬干后作為燃料使用。目前木薯秸稈的利用率(包括種料、飼料、肥料等)只有 10~20 %[23-24]。2.2 木薯秸稈的應(yīng)用前景

圖 2-1 預(yù)處理實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig. 2-1 Experimental apparatus for the pretreatment.2 木薯秸稈兩步自催化實(shí)驗(yàn)預(yù)處理后的液體中通常含有高濃度的副產(chǎn)物有機(jī)酸，將預(yù)處理液直接木薯秸稈以加強(qiáng)水熱預(yù)處理工藝。木薯秸稈自催化強(qiáng)化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)裝-1 所示。木薯秸稈兩步自催化預(yù)處理實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：第一步亞臨界水熱自催化強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)過程：(a) 在上述第一步木薯秸稈自催化處理實(shí)驗(yàn)的最佳條件下進(jìn)行。將得到液直接進(jìn)行循環(huán)回用，保持固液質(zhì)量比為 1:20。(b) 該反應(yīng)器的壓力保持在 2 MPa 氮?dú)夂痛帕嚢杵鬓D(zhuǎn)速在 300 rpm (c) 用布氏漏斗將冷卻后的樣品快速分離成固體和液體組分。液相成分色譜進(jìn)行測定分析。固體干燥后保存在 25 °C 和相對濕度 60 %的儲(chǔ)備后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O636.11

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本文編號：2604216