芨芨草轉(zhuǎn)化燃料乙醇的預(yù)處理研究.pdf

1、近年來(lái),日益增長(zhǎng)的能源消耗和嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題使人們對(duì)使用酒精作為運(yùn)輸燃料越來(lái)越感興趣。目前世界上生產(chǎn)燃料乙醇的主要原料是谷物如玉米、小麥等。但對(duì)中國(guó)和有些國(guó)家來(lái)說(shuō)采用谷物生產(chǎn)燃料乙醇不是可持續(xù)的方法。木質(zhì)纖維原料是生產(chǎn)燃料乙醇很有潛力的原料,因?yàn)槟举|(zhì)纖維原料具有廉價(jià)、可再生、資源豐富的特點(diǎn)。用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)燃料乙醇主要包括預(yù)處理、水解、發(fā)酵、產(chǎn)品純化和液體的后處理五個(gè)步驟。預(yù)處理是燃料乙醇生產(chǎn)中關(guān)鍵的一步。木質(zhì)纖維原料預(yù)處理的目的是通過(guò)

2、去除木質(zhì)素、半纖維素,降低纖維素結(jié)晶度,增加原料多孔性提高其酶解性。
　　本研究中,采用芨芨草作為轉(zhuǎn)化燃料乙醇的原料。本研究的目的是分析氫氧化鈉、氨、硫酸和氨-硫酸預(yù)處理對(duì)芨芨草的影響。總結(jié)了經(jīng)氫氧化鈉、氨、硫酸和氨-硫酸預(yù)處理后的固體中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的含量。討論了在不同氫氧化鈉用量、氨水濃度、硫酸濃度、液固比、反應(yīng)溫度和時(shí)間的條件下,預(yù)處理后固體中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素含量的變化規(guī)律。進(jìn)一步討論了氫氧化鈉和氨預(yù)處理的

3、木質(zhì)素去除率變化規(guī)律及硫酸和氨-硫酸預(yù)處理的半纖維素去除率變化規(guī)律。
　　本研究中,分別采用氫氧化鈉、氨水、硫酸對(duì)芨芨草進(jìn)行預(yù)處理。氫氧化鈉預(yù)處理芨芨草反應(yīng)中,氫氧化鈉用量為3-18％(基于原始干物質(zhì)),在液固比8:1-20:1(v/w),反應(yīng)溫度60-100℃條件下對(duì)已粉碎生物質(zhì)處理1.5h。結(jié)果表明,氫氧化鈉用量、液固比和反應(yīng)溫度都對(duì)木質(zhì)素去除率及氫氧化鈉預(yù)處理后的固體中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的含量有顯著影響。當(dāng)氫氧化鈉用量

4、高于15%(基于原始干物質(zhì))時(shí),氫氧化鈉用量對(duì)木質(zhì)素去除率沒(méi)有顯著影響。當(dāng)液固比低于10:1(v/w)時(shí),難以使反應(yīng)系統(tǒng)保持均質(zhì)。當(dāng)氫氧化鈉用量固定,提高液固比(>10:1),使木質(zhì)素去除率降低。當(dāng)溫度高于90℃,反應(yīng)溫度對(duì)木質(zhì)素去除率沒(méi)有顯著影響。結(jié)果表明,最佳反應(yīng)條件為:氫氧化鈉用量為15%(基于原始干物質(zhì)),液固比10:1(v/w),反應(yīng)溫度90℃,反應(yīng)時(shí)間1.5h。在此最佳預(yù)處理?xiàng)l件下,木質(zhì)素去除率約為39%,處理后固體中纖維素

5、含量提高到68.39%,同時(shí)半纖維素含量降至19.86%。
　　對(duì)氨水浸泡法預(yù)處理芨芨草進(jìn)行了研究,采用5-25wt%氨水,在45-85℃,液固比12:1(質(zhì)量比)條件下對(duì)已粉碎生物質(zhì)處理12-72h。氨水濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間都對(duì)質(zhì)素去除率及氨預(yù)處理后的固體中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的含量有顯著影響。當(dāng)氨水濃度高于10wt%,氨水濃度對(duì)木質(zhì)素去除率沒(méi)有顯著影響。在55℃條件下,木質(zhì)素去除率達(dá)26.31%與65℃時(shí)的去除率26.

6、55%相比沒(méi)有顯著不同。當(dāng)反應(yīng)溫度從65℃提高到85℃時(shí),木質(zhì)素去除率從26.55%降低到10.56%。在氨預(yù)處理中,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于36h時(shí),反應(yīng)時(shí)間對(duì)木質(zhì)素去除率沒(méi)有顯著影響。結(jié)果表明,最佳反應(yīng)條件為:氨水濃度10wt%,反應(yīng)溫度55℃,反應(yīng)時(shí)間36h,液固比12:1(質(zhì)量比)。在此最佳預(yù)處理?xiàng)l件下,木質(zhì)素去除率達(dá)26.58%,處理后固體中纖維素含量提高到64.20%,同時(shí)半纖維素含量降至23.63%。在最佳預(yù)處理?xiàng)l件下,氨預(yù)處理的木

7、質(zhì)素去除率顯著低于氫氧化鈉預(yù)處理的木質(zhì)素去除率(39%)。
　　硫酸預(yù)處理芨芨草反應(yīng)中,采用0.5-3%(w/v)硫酸溶液,在100℃,液固比8:1-20:1(v/w)條件下對(duì)已粉碎生物質(zhì)處理12-72h。硫酸濃度和液固比的提高及反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)半纖維素去除率有顯著影響。硫酸濃度和液固比的提高及反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)使預(yù)處理后固體中半纖維素含量顯著降低,纖維素和木質(zhì)素含量顯著增加。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)硫酸濃度為2%(v/w)時(shí)接近最佳水平,因?yàn)榇?/p>

8、時(shí)以較低的硫酸濃度取得了滿意的預(yù)處理效果(半纖維素去除率達(dá)78.87%)。當(dāng)液固比高于15:1(v/w)時(shí),液固比對(duì)半纖維素去除率沒(méi)有顯著影響。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于3h時(shí),反應(yīng)時(shí)間對(duì)半纖維素去除率沒(méi)有顯著影響。結(jié)果表明,最佳反應(yīng)條件為:硫酸濃度2%(w/v),液固比15:1(v/w),反應(yīng)時(shí)間3h,反應(yīng)溫度100℃。在此最佳預(yù)處理?xiàng)l件下,半纖維素除率達(dá)92.57%,處理后固體中纖維素含量提高到66.79%。
　　氨-硫酸預(yù)處理芨芨草反應(yīng)

9、中,首先采用氨水浸泡法在最佳反應(yīng)條件下處理已粉碎生物質(zhì)(10wt%氨水,55℃,液固比12:1,36h),氨水浸泡法處理后的物質(zhì)再采用0.5-2%(w/v)硫酸溶液,在液固比8:1-15:1(v/w),100℃條件下處理0.5-3h。在第二階段的硫酸預(yù)處理中,硫酸濃度的提高和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)半纖維素去除率有顯著影響;硫酸濃度的提高和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)使硫酸預(yù)處理后固體中半纖維素含量顯著降低,纖維素和木質(zhì)素含量顯著增加;但液固比對(duì)半纖維素去除

10、率和硫酸預(yù)處理后固體中半纖維素和木質(zhì)素含量沒(méi)有顯著影響。在氨-硫酸預(yù)處理的第二階段,當(dāng)硫酸濃度高于1.5%(w/v)時(shí),硫酸濃度對(duì)半纖維素去除率沒(méi)有顯著影響;當(dāng)液固比高于8:1(v/w)時(shí),液固比對(duì)半纖維素去除率沒(méi)有顯著影響;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于2h時(shí),反應(yīng)時(shí)間對(duì)半纖維素去除率沒(méi)有顯著影響。氨-硫酸預(yù)處理最佳反應(yīng)條件為:第一階段,氨水濃度10wt%,反應(yīng)溫度55℃,反應(yīng)時(shí)間36h,液固比12:1(質(zhì)量比);第二階段,硫酸濃度1.5%,液固比8

11、:1(v/w),反應(yīng)時(shí)間2h,反應(yīng)溫度100℃。在此最佳預(yù)處理?xiàng)l件下,處理后固體中半纖維素除率達(dá)91.19%,纖維素含量提高到75.49%。
　　在溫和的反應(yīng)條件下,氫氧化鈉預(yù)處理能有效去除木質(zhì)素。氨預(yù)處理的木質(zhì)素去除率比預(yù)想的要低,氨預(yù)處理不能有效地去除芨芨草所含木質(zhì)素。硫酸預(yù)處理適合于芨芨草的處理,且在最佳預(yù)處理?xiàng)l件下獲得了滿意的處理效果(半纖維素去除率達(dá)92.57%)。氨-硫酸預(yù)處理能有效地去除半纖維素,并且處理后固體中的纖