玉米秸稈堿法水解

2011屆本科畢業(yè)論文論文題目：不同預(yù)處理后玉米秸稈堿法水解條件優(yōu)化研究學(xué)生姓名：***所在院（系）：生命科技學(xué)院所學(xué)專業(yè)：生物工程導(dǎo)師姓名：***完成時(shí)間：2011年5月20日不同預(yù)處理后玉米秸稈堿法水解條件優(yōu)化研究（生命科技學(xué)院生物工程系073班）摘要我國(guó)含有豐富的玉米秸稈資源，玉米秸稈需經(jīng)預(yù)處理后才能被高效水解。本文采用原秸稈粉碎60目、超細(xì)200目、膨化粉碎60目和膨化超細(xì)400目四種不同預(yù)處理后的玉米秸稈為材料，在一定的固液比，溫度，堿濃度，處理時(shí)間條件下，以可溶性糖含量為指標(biāo)，做堿法水解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：固液比為1：17,NaOH濃度為2.5%，水解溫度為110C，水解時(shí)間為60min時(shí)水解液可溶性糖含量最大，達(dá)12.1%。關(guān)鍵詞：玉米秸桿，預(yù)處理，堿法水解，可溶性糖DIFFERENTPRETREATMENTALKALINE

HYDROLYSISOFCORNSTOVEROPTIMIZATION***(SchoolofLifeScienceandTechnologyDepartmentofBiologicalEngineering

Class073)ABSTRACTChinaisrichinresources,cornstalks,cornstalkstobepretreatedinordertobeeffectiveafterthehydrolysis.Inthispaper,theoriginal60meshcrushedstraw,fine200mesh,60meshandextrudedexpandedultra-finegrinding400meshfourdifferentpretreatmentofcornstrawasmaterial,toacertainsolid-liquidratio,temperature,alkaliconcentrationandtreatmenttimeconditionsUnderthesolublesugarcontentasanindex,soalkalinehydrolysisexperiments,resultsshowedthat:solidtoliquidratioof1:17,NaOHconcentrationof2.5%,thehydrolysistemperatureis110°C,thehydrolysistimewas60min,themaximumhydrolysisofsolublesugarcontentis12.1%.Keywords：Cornstalks，Pretreatment，Alkalinehydrolysis，Solublesugar目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 5試驗(yàn)材料與儀器 6\o"CurrentDocument"試驗(yàn)材料 6\o"CurrentDocument"儀器 6方法步驟 6不同預(yù)處理玉米秸稈堿水解試驗(yàn) 6\o"CurrentDocument"粉碎60目玉米秸稈堿水解試驗(yàn) 7\o"CurrentDocument"超細(xì)200目玉米秸稈堿水解試驗(yàn) 7\o"CurrentDocument"膨化粉碎60目玉米秸稈堿水解試驗(yàn) 7\o"CurrentDocument"膨化超細(xì)400目玉米秸稈堿水解試驗(yàn) 7\o"CurrentDocument"2.2可溶性糖含量測(cè)定 72.3最適預(yù)處理方法確定 7最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解單因素試驗(yàn) 7\o"CurrentDocument"最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解時(shí)間確定 7\o"CurrentDocument"最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解溫度確定 8\o"CurrentDocument"最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解堿濃度確定 8\o"CurrentDocument"最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解固液比確定 8\o"CurrentDocument"2.5最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解的正交設(shè)計(jì) 8結(jié)果與分析 8\o"CurrentDocument"最適預(yù)處理玉米秸稈方法確定 8超細(xì)200目玉米秸稈堿水解的單因素試驗(yàn)結(jié)果 9\o"CurrentDocument"水解溫度的影響 9\o"CurrentDocument"水解時(shí)間的影響 9\o"CurrentDocument"NaOH濃度的影響 10\o"CurrentDocument"固液比的影響 10\o"CurrentDocument"超細(xì)200目玉米秸稈堿水解的正交優(yōu)化 11\o"CurrentDocument"3討論 12\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 12\o"CurrentDocument"致謝 13不同預(yù)處理后玉米秸稈堿法水解條件優(yōu)化研究***（生命科技學(xué)院生物工程系073班）引言我國(guó)是世界上秸稈資源最為豐富的國(guó)家之一。農(nóng)作物秸稈是糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，含有豐富的有機(jī)質(zhì)，因此是一種可供開(kāi)發(fā)和綜合利用的寶貴資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各種農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約7.9億噸，占世界作物秸稈總產(chǎn)量的20.96?30%，可獲得量為3.9億噸?4.2億噸⑴。其中，玉米秸稈年產(chǎn)量達(dá)3.6億噸，占農(nóng)作物秸稈總量的40％。我國(guó)秸稈循環(huán)再利用的途徑與方法是多年來(lái)備受關(guān)注的一大技術(shù)問(wèn)題。近些年，隨著作物生產(chǎn)水平和復(fù)種指數(shù)的提高以及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)狀況、農(nóng)民生活質(zhì)量的改善，秸稈的絕對(duì)過(guò)?，F(xiàn)象更加突出，農(nóng)民不再把農(nóng)作物秸稈作為生活主要燃料，造成大量的農(nóng)作物秸稈被廢棄在田間地頭，甚至在農(nóng)田中一把火焚燒［2］，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染、人身傷害、交通隱患、資源浪費(fèi)等現(xiàn)象更加嚴(yán)重。雖然有些地方的秸稈被用來(lái)加工飼料或制備沼氣［3-6］，但是許多地方的秸稈仍然被棄臵，或就地點(diǎn)火焚燒，浪費(fèi)和污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此，開(kāi)展秸稈的高效能源化轉(zhuǎn)化利用已經(jīng)成為亟待解決的涉及農(nóng)業(yè)、能源和環(huán)境保護(hù)的重要問(wèn)題。合理高效地利用秸稈對(duì)保障國(guó)家能源安全，實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，以及保護(hù)大氣環(huán)境都具有十分重要的意義。全國(guó)每年作物秸稈的產(chǎn)量達(dá)7億噸，其中玉米秸的面積、產(chǎn)量最大，利用潛力也最大。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的逐步提高和思想觀念的轉(zhuǎn)變，秸稈很少再用于燒飯、漚肥，利用秸稈還田、副業(yè)加工少于5%，用作飼料（青儲(chǔ)、直接飼喂）的數(shù)量不到5%，農(nóng)村出現(xiàn)大量的秸稈積壓閑臵，大量焚燒的現(xiàn)象，不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且也對(duì)資源造成了巨大的浪費(fèi)。當(dāng)前，我國(guó)的秸稈處理技術(shù)已有了新的發(fā)展，有一批新的成熟技術(shù)正在示范和推廣之中。這些技術(shù)有的是對(duì)傳統(tǒng)的處理方法進(jìn)行技術(shù)改造，有的則是尋找新思路和新措施。目前農(nóng)作物秸稈綜合利用的途徑主要有：機(jī)械化秸稈還田［7-9］,秸稈飼料［10-12］，秸稈能源。隨著石油資源的日益枯竭，能源短缺已成為困擾人類社會(huì)發(fā)展的重大問(wèn)題，因此以秸稈為原料生產(chǎn)燃料乙醇在近年來(lái)引起人們廣泛的關(guān)注［13］。但在以秸桿為原料生產(chǎn)燃料乙醇的過(guò)程中，最大的問(wèn)題是原料的預(yù)處理。預(yù)處理的主要作用是改變秸桿的主要成分天然纖維的結(jié)構(gòu)，脫去木質(zhì)素，增加酶與纖維素的接觸面積，從而將秸稈中的纖維素水解為可溶性糖。目前預(yù)處理的方法主要有生物、化學(xué)、物理和氨冷凍爆破法［14-1，6］但預(yù)處理效果不理想，且對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕、磨損和耗能較嚴(yán)重，因此開(kāi)發(fā)高效、低成本的預(yù)處理方法成為急需解決的技術(shù)問(wèn)題。本研究分別以原秸稈粉碎60目、超細(xì)200目、膨化60目和膨化超細(xì)400目四種不同預(yù)處理的玉米秸稈為原材料，采用物理與化學(xué)相結(jié)合的方法，在高壓蒸汽條件下，以一定NaOH濃度水解玉米秸稈，考察在一定的水解溫度、時(shí)間、NaOH濃度和固液比四種因素條件下水解玉米秸稈所產(chǎn)可溶性糖含量，并確定了水解溫度、時(shí)間、NaOH濃度和固液比四種因素最佳水解條件。試驗(yàn)材料與儀器試驗(yàn)材料原秸稈粉碎60目，超細(xì)200目，膨化粉碎60目，膨化超細(xì)400目玉米秸稈均采自新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（37.2%）鄭州尼派化學(xué)試劑廠氫氧化鈉（分析純）天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠儀器電子天平JA5002型）上海精天電子儀器有限公司微型植物式樣粉碎機(jī)（FZ102型）北京中興偉業(yè)儀器有限公司糖度計(jì)，三角瓶，量筒（100ml）,小漏斗，燒杯，容量瓶（100ml）方法步驟不同預(yù)處理玉米秸稈堿水解試驗(yàn)表1各試驗(yàn)因素梯度表因素水解時(shí)間/min水解溫度/°cNaOH濃度/%固液比/g/ml梯度1301051.01:14梯度2901152.01:20梯度31501253.01:26粉碎60目玉米秸稈堿水解試驗(yàn)根據(jù)表1,將粉碎60目的玉米秸稈在水解時(shí)間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個(gè)梯度進(jìn)行組合試驗(yàn)，計(jì)34=81組合。測(cè)定每種組合的水解液可溶性糖含量。超細(xì)200目玉米秸稈堿水解試驗(yàn)根據(jù)表1，將超細(xì)200目的玉米秸稈在水解時(shí)間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個(gè)梯度進(jìn)行組合試驗(yàn),計(jì)34=81組合。測(cè)定每種組合的水解液可溶性糖含量。膨化粉碎60目玉米秸稈堿水解試驗(yàn)根據(jù)表1,將膨化粉碎60目的玉米秸稈在水解時(shí)間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個(gè)梯度進(jìn)行組合試驗(yàn)，計(jì)34=81組合。測(cè)定每種組合的水解液可溶性糖含量。膨化超細(xì)400目玉米秸稈堿水解試驗(yàn)根據(jù)表1，將膨化超細(xì)400目的玉米秸稈在水解時(shí)間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個(gè)梯度進(jìn)行組合試驗(yàn),計(jì)34=81組合。測(cè)定每種組合的水解液可溶性糖含量?？扇苄蕴呛繙y(cè)定用濾紙對(duì)堿水解后的不同預(yù)處理玉米秸稈的水解液進(jìn)行過(guò)濾，而后再用濃鹽酸將水解液的PH調(diào)至中性，用糖度計(jì)測(cè)其水解液可溶性糖含量。最適預(yù)處理方法確定根據(jù)以上不同預(yù)處理玉米秸稈堿水解試驗(yàn)后可溶性糖含量的高低，確定玉米秸稈最適的預(yù)處理方法。最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解單因素試驗(yàn)最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解時(shí)間確定根據(jù)方法步驟2.1，稱取最適預(yù)處理玉米秸稈5.0g，取30min、60min、90min、120min、150min五種時(shí)間段，而水解溫度、NaOH濃度、固液比三因素按可溶性糖含量最高時(shí)的處理組合不變，進(jìn)行試驗(yàn)。最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解溫度確定根據(jù)方法步驟2.1,稱取最適預(yù)處理玉米秸稈5.0g,取105€、110€、115°C.120€、125C五種溫度，而水解時(shí)間、NaOH濃度、固液比三因素按可溶性糖含量最高時(shí)的處理組合不變,進(jìn)行試驗(yàn)。最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解堿濃度確定根據(jù)方法步驟2.1，稱取最適預(yù)處理玉米秸稈5.0g,分別加入1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%五種濃度的NaOH，而水解時(shí)間、溫度、固液比三因素按可溶性糖含量最高時(shí)的處理組合不變，進(jìn)行試驗(yàn)。最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解固液比確定根據(jù)方法步驟2.1,稱取最適預(yù)處理玉米秸稈5.0g,以1:14、1:17、1:20、1:23和1:26五種固液比，而水解時(shí)間、溫度、NaOH濃度三因素按可溶性糖含量最高時(shí)的處理組合不變,進(jìn)行試驗(yàn)。2.5最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解的正交設(shè)計(jì)根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,在一定范圍內(nèi)對(duì)最適預(yù)處理玉米秸稈堿水解時(shí)間、水解溫度、NaOH濃度、固液比四種因素設(shè)計(jì)適當(dāng)正交方案,并對(duì)該方案做正交試驗(yàn)優(yōu)化。結(jié)果與分析最適預(yù)處理玉米秸稈方法確定原秸稈粉碎60目、超細(xì)200目、膨化60目和膨化超細(xì)400目四種不同預(yù)處理的玉米秸稈,經(jīng)水解時(shí)間、溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的所有組合水解試驗(yàn),最高可溶性糖含量如表2。表2試驗(yàn)組合及對(duì)應(yīng)糖含量預(yù)處理粉碎60目超細(xì)200目膨化粉碎60目膨化超細(xì)400目水解時(shí)間/min909015090水解溫度/C105115105105NaOH濃度/%3.02.03.02.0固液比/g/ml1:141:201:261:14可溶性糖量/%10.511.310.09.4由表2可以看出,原秸稈粉碎60目、超細(xì)200目、膨化60目和膨化超細(xì)

400目四種不同預(yù)處理的玉米秸稈，可溶性糖含量超細(xì)200目〉粉碎60目〉膨化粉碎60目〉膨化超細(xì)400目。即超細(xì)200目預(yù)處理玉米秸稈在水解時(shí)間為90min,溫度為115C,NaOH濃度為2.0%，固液比為1:20時(shí)，水解液中的可溶性糖含量最高為11.3%。因此，超細(xì)200目預(yù)處理玉米秸稈為最適。超細(xì)200目玉米秸稈堿水解的單因素試驗(yàn)結(jié)果水解溫度的影響在水解時(shí)間、固液比、NaOH濃度不變的條件下，水解溫度不同時(shí)得到的水解液可溶性糖含量如下圖1。6.00%4.00%富含糖性8.00%6.00%4.00%富含糖性溶2.00%可0.00%100 105 110 115 120 125 130溫度/°C圖1水解溫度的影響由圖1可以看出，水解溫度越高，水解效果越好。這可能是因?yàn)樗鉁囟仍礁撸嚼诶w維素的糖苷鍵斷裂，越利于水解過(guò)程的進(jìn)行，化學(xué)反應(yīng)越充分，但在115C以后，可溶性糖產(chǎn)量有所下降，這可能是因?yàn)殡S著水解溫度不斷升高，影響纖維素糖苷鍵的斷裂，故采用適宜的水解溫度，既可以減少能量消耗，又能保證獲得最高含量的可溶性糖。水解時(shí)間的影響在水解溫度、固液比、NaOH濃度不變的條件下，水解時(shí)間不同時(shí)得到的水解液可溶性糖含量如下圖2。%/量含糖性溶可8.40%8.20%8.00%7.80%7.60%%/量含糖性溶可8.40%8.20%8.00%7.80%7.60%7.40%7.20%7.00%時(shí)間/min圖2水解時(shí)間的影響由圖2可以看出，在水解過(guò)程的前90min,隨著堿水解時(shí)間增加，可溶性糖的產(chǎn)量提高，120min以后，可溶性糖產(chǎn)量有下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樘幚頃r(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致纖維素水解后生非可溶性糖類物質(zhì)，所以采用適宜的水解時(shí)間也可以減少能量的消耗和副反應(yīng)的發(fā)生。NaOH濃度的影響在水解時(shí)間、固液比、水解溫度不變的條件下，NaOH濃度不同時(shí)得到的水解液可溶性糖含量如下圖3。10.00%富含糖性溶可8.00%富含糖性溶可6.00%4.00%2.00%0.00%0.0% 1.0% 2.0% 3.0% 4.0%NaOH濃度/%圖3NaOH濃度的影響由圖3可以看出，隨著NaOH濃度的增加，可溶性糖的產(chǎn)量增加，采用2.0%的NaOH與3.0%的NaOH獲得的可溶性糖量相差甚微，可見(jiàn)在相對(duì)較低濃度NaOH的條件下玉米秸稈中的纖維素和木質(zhì)素就可以充分水解。采用較低濃度的NaOH不僅可以降低預(yù)處理成本，還能減少后續(xù)微生物發(fā)酵過(guò)程中剩余堿的費(fèi)用。固液比的影響在水解溫度、NaOH濃度、水解時(shí)間不變的條件下，固液比不同時(shí)得到的水解液可溶性糖含量如下圖4。固液比/g/ml圖4固液比的影響固液比/g/ml圖4固液比的影響由圖4可以看出，隨著固液比的減小，可溶性糖產(chǎn)量下降。這是因?yàn)殡S著固液比的減小，反應(yīng)體系中的含水量太高，從而影響水解反應(yīng)的充分進(jìn)行。但固液比太大，反應(yīng)體系中玉米秸稈與稀NaOH不能夠充分的接觸，亦影響反應(yīng)的進(jìn)行。因此在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮各種因素來(lái)確定適宜的固液比。超細(xì)200目玉米秸稈堿水解的正交優(yōu)化根據(jù)以上單因素試驗(yàn)結(jié)果，在最適宜的范圍內(nèi)為每個(gè)因素選取三個(gè)水平，采用L（34）正交表對(duì)這些因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，考察各因素之間的相互作用。試9驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果和分析見(jiàn)表4。表3正交試驗(yàn)因素水平試驗(yàn)因素水解時(shí)間/min水解溫度/°CNaOH濃度/%固液比g/ml1601101.51:172901152.01:2031201202.51:23表4正交試驗(yàn)結(jié)果分析ABCD可溶性糖產(chǎn)量/%序號(hào)水解時(shí)間水解溫度NaOH濃度固液比試驗(yàn)111117.3試驗(yàn)212226.5試驗(yàn)313338.7試驗(yàn)4212310.1試驗(yàn)522318.1試驗(yàn)623127.2試驗(yàn)731326.8試驗(yàn)832137.1試驗(yàn)933218.8K17.508.077.28.06K28.407.238.476.83K37.568.237.878.63R0.901.001.271.80由表4通過(guò)極差分析可知，R>R>R>R，可見(jiàn)水解時(shí)間對(duì)玉米秸稈堿水解DCBA結(jié)果的影響不顯著，而NaOH濃度和固液比對(duì)玉米秸稈堿水解結(jié)果的影響較為顯著，所以，對(duì)玉米秸稈堿水解可以采取較短的水解時(shí)間。最佳堿水解條件為3D3C1B1A，即固液比為1:17,NaOH濃度為2.5%，水解溫度為110°C，水解時(shí)間為60min時(shí)可溶性糖產(chǎn)量最高，達(dá)12.1%。3討論通過(guò)本試驗(yàn)，我們對(duì)原秸稈粉碎60目、超細(xì)200目、膨化60目和膨化超細(xì)400目四種不同預(yù)處理的玉米秸稈，以溫度、堿濃度、水解時(shí)間、固液比為參數(shù)進(jìn)行玉米秸稈堿水解最佳條件探究，得出NaOH水解超細(xì)200目玉米秸稈的最佳條件：固液比為1:17,NaOH濃度為2.5%，水解溫度為110C，水解時(shí)間為60min。在此條件下，玉米秸稈能得到充分水解，水解液可溶性糖產(chǎn)量最高，達(dá)12.1%。并且在此條件下能有效地節(jié)約能源，減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生。參考文獻(xiàn)張?jiān)慈?，孫風(fēng)英，關(guān)鳳梅等．玉米秸稈稀硫酸預(yù)處理?xiàng)l件的初步研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)，2002，10(2)：32-36韓魯佳，閆巧娟，劉向陽(yáng)等.中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(3)：87-91朱圣權(quán)，張衍林，張文倩，張俊峰.厭氧干發(fā)酵技術(shù)研究進(jìn)展[J].可再生能源，2009，2(3)：27-31葉小梅，常志州.有機(jī)固體廢物干法厭氧發(fā)酵技術(shù)研究綜述[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，1(3)：24-27楊興，張