芨芨草轉(zhuǎn)化燃料乙醇的預處理研究.pdf

1、近年來,日益增長的能源消耗和嚴峻的環(huán)境問題使人們對使用酒精作為運輸燃料越來越感興趣。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。但對中國和有些國家來說采用谷物生產(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,因為木質(zhì)纖維原料具有廉價、可再生、資源豐富的特點。用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)燃料乙醇主要包括預處理、水解、發(fā)酵、產(chǎn)品純化和液體的后處理五個步驟。預處理是燃料乙醇生產(chǎn)中關鍵的一步。木質(zhì)纖維原料預處理的目的是通過

2、去除木質(zhì)素、半纖維素,降低纖維素結晶度,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-硫酸預處理對芨芨草的影響?？偨Y了經(jīng)氫氧化鈉、氨、硫酸和氨-硫酸預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、反應溫度和時間的條件下,預處理后固體中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素含量的變化規(guī)律。進一步討論了氫氧化鈉和氨預處理的

3、木質(zhì)素去除率變化規(guī)律及硫酸和氨-硫酸預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、硫酸對芨芨草進行預處理。氫氧化鈉預處理芨芨草反應中,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),反應溫度60-100℃條件下對已粉碎生物質(zhì)處理1.5h。結果表明,氫氧化鈉用量、液固比和反應溫度都對木質(zhì)素去除率及氫氧化鈉預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。當氫氧化鈉用量

4、高于15%(基于原始干物質(zhì))時,氫氧化鈉用量對木質(zhì)素去除率沒有顯著影響。當液固比低于10:1(v/w)時,難以使反應系統(tǒng)保持均質(zhì)。當氫氧化鈉用量固定,提高液固比(>10:1),使木質(zhì)素去除率降低。當溫度高于90℃,反應溫度對木質(zhì)素去除率沒有顯著影響。結果表明,最佳反應條件為:氫氧化鈉用量為15%(基于原始干物質(zhì)),液固比10:1(v/w),反應溫度90℃,反應時間1.5h。在此最佳預處理條件下,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%,同時半纖維素含量降至19.86%。
　　對氨水浸泡法預處理芨芨草進行了研究,采用5-25wt%氨水,在45-85℃,液固比12:1(質(zhì)量比)條件下對已粉碎生物質(zhì)處理12-72h。氨水濃度、反應溫度和反應時間都對質(zhì)素去除率及氨預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。當氨水濃度高于10wt%,氨水濃度對木質(zhì)素去除率沒有顯著影響。在55℃條件下,木質(zhì)素去除率達26.31%與65℃時的去除率26.

6、55%相比沒有顯著不同。當反應溫度從65℃提高到85℃時,木質(zhì)素去除率從26.55%降低到10.56%。在氨預處理中,當反應時間長于36h時,反應時間對木質(zhì)素去除率沒有顯著影響。結果表明,最佳反應條件為:氨水濃度10wt%,反應溫度55℃,反應時間36h,液固比12:1(質(zhì)量比)。在此最佳預處理條件下,木質(zhì)素去除率達26.58%,處理后固體中纖維素含量提高到64.20%,同時半纖維素含量降至23.63%。在最佳預處理條件下,氨預處理的木

7、質(zhì)素去除率顯著低于氫氧化鈉預處理的木質(zhì)素去除率(39%)。
　　硫酸預處理芨芨草反應中,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時間的延長對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時間的延長使預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),當硫酸濃度為2%(v/w)時接近最佳水平,因為此

8、時以較低的硫酸濃度取得了滿意的預處理效果(半纖維素去除率達78.87%)。當液固比高于15:1(v/w)時,液固比對半纖維素去除率沒有顯著影響。當反應時間長于3h時,反應時間對半纖維素去除率沒有顯著影響。結果表明,最佳反應條件為:硫酸濃度2%(w/v),液固比15:1(v/w),反應時間3h,反應溫度100℃。在此最佳預處理條件下,半纖維素除率達92.57%,處理后固體中纖維素含量提高到66.79%。
　　氨-硫酸預處理芨芨草反應

9、中,首先采用氨水浸泡法在最佳反應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處理中,硫酸濃度的提高和反應時間的延長對半纖維素去除率有顯著影響;硫酸濃度的提高和反應時間的延長使硫酸預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;但液固比對半纖維素去除

10、率和硫酸預處理后固體中半纖維素和木質(zhì)素含量沒有顯著影響。在氨-硫酸預處理的第二階段,當硫酸濃度高于1.5%(w/v)時,硫酸濃度對半纖維素去除率沒有顯著影響;當液固比高于8:1(v/w)時,液固比對半纖維素去除率沒有顯著影響;當反應時間長于2h時,反應時間對半纖維素去除率沒有顯著影響。氨-硫酸預處理最佳反應條件為:第一階段,氨水濃度10wt%,反應溫度55℃,反應時間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),反應時間2h,反應溫度100℃。在此最佳預處理條件下,處理后固體中半纖維素除率達91.19%,纖維素含量提高到75.49%。
　　在溫和的反應條件下,氫氧化鈉預處理能有效去除木質(zhì)素。氨預處理的木質(zhì)素去除率比預想的要低,氨預處理不能有效地去除芨芨草所含木質(zhì)素。硫酸預處理適合于芨芨草的處理,且在最佳預處理條件下獲得了滿意的處理效果(半纖維素去除率達92.57%)。氨-硫酸預處理能有效地去除半纖維素,并且處理后固體中的纖