玉米秸秆碱法水解

2011届本科毕业论文论文题目：不同预处理后玉米秸秆碱法水解条件优化研究学生姓名：***所在院（系）：生命科技学院所学专业：生物工程导师姓名：***完成时间：2011年5月20日不同预处理后玉米秸秆碱法水解条件优化研究（生命科技学院生物工程系073班）摘要我国含有丰富的玉米秸秆资源，玉米秸秆需经预处理后才能被高效水解。本文采用原秸秆粉碎60目、超细200目、膨化粉碎60目和膨化超细400目四种不同预处理后的玉米秸秆为材料，在一定的固液比，温度，碱浓度，处理时间条件下，以可溶性糖含量为指标，做碱法水解实验，结果显示：固液比为1：17,NaOH浓度为2.5%，水解温度为110C，水解时间为60min时水解液可溶性糖含量最大，达12.1%。关键词：玉米秸杆，预处理，碱法水解，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目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 5试验材料与仪器 6\o"CurrentDocument"试验材料 6\o"CurrentDocument"仪器 6方法步骤 6不同预处理玉米秸秆碱水解试验 6\o"CurrentDocument"粉碎60目玉米秸秆碱水解试验 7\o"CurrentDocument"超细200目玉米秸秆碱水解试验 7\o"CurrentDocument"膨化粉碎60目玉米秸秆碱水解试验 7\o"CurrentDocument"膨化超细400目玉米秸秆碱水解试验 7\o"CurrentDocument"2.2可溶性糖含量测定 72.3最适预处理方法确定 7最适预处理玉米秸秆碱水解单因素试验 7\o"CurrentDocument"最适预处理玉米秸秆碱水解时间确定 7\o"CurrentDocument"最适预处理玉米秸秆碱水解温度确定 8\o"CurrentDocument"最适预处理玉米秸秆碱水解碱浓度确定 8\o"CurrentDocument"最适预处理玉米秸秆碱水解固液比确定 8\o"CurrentDocument"2.5最适预处理玉米秸秆碱水解的正交设计 8结果与分析 8\o"CurrentDocument"最适预处理玉米秸秆方法确定 8超细200目玉米秸秆碱水解的单因素试验结果 9\o"CurrentDocument"水解温度的影响 9\o"CurrentDocument"水解时间的影响 9\o"CurrentDocument"NaOH浓度的影响 10\o"CurrentDocument"固液比的影响 10\o"CurrentDocument"超细200目玉米秸秆碱水解的正交优化 11\o"CurrentDocument"3讨论 12\o"CurrentDocument"参考文献 12\o"CurrentDocument"致谢 13不同预处理后玉米秸秆碱法水解条件优化研究***（生命科技学院生物工程系073班）引言我国是世界上秸秆资源最为丰富的国家之一。农作物秸秆是粮食作物和经济作物生产中的副产物，含有丰富的有机质，因此是一种可供开发和综合利用的宝贵资源。据统计，我国各种农作物秸秆年产量约7.9亿吨，占世界作物秸秆总产量的20.96〜30%，可获得量为3.9亿吨〜4.2亿吨⑴。其中，玉米秸秆年产量达3.6亿吨，占农作物秸秆总量的40％。我国秸秆循环再利用的途径与方法是多年来备受关注的一大技术问题。近些年，随着作物生产水平和复种指数的提高以及农村经济状况、农民生活质量的改善，秸秆的绝对过剩现象更加突出，农民不再把农作物秸秆作为生活主要燃料，造成大量的农作物秸秆被废弃在田间地头，甚至在农田中一把火焚烧［2］，造成严重的环境污染，秸秆焚烧带来的环境污染、人身伤害、交通隐患、资源浪费等现象更加严重。虽然有些地方的秸秆被用来加工饲料或制备沼气［3-6］，但是许多地方的秸秆仍然被弃臵，或就地点火焚烧，浪费和污染现象十分严重。因此，开展秸秆的高效能源化转化利用已经成为亟待解决的涉及农业、能源和环境保护的重要问题。合理高效地利用秸秆对保障国家能源安全，实现国民经济的可持续发展，以及保护大气环境都具有十分重要的意义。全国每年作物秸秆的产量达7亿吨，其中玉米秸的面积、产量最大，利用潜力也最大。随着农业生产方式的不断进步，农业生产水平的逐步提高和思想观念的转变，秸秆很少再用于烧饭、沤肥，利用秸秆还田、副业加工少于5%，用作饲料（青储、直接饲喂）的数量不到5%，农村出现大量的秸秆积压闲臵，大量焚烧的现象，不仅对环境造成严重污染，而且也对资源造成了巨大的浪费。当前，我国的秸秆处理技术已有了新的发展，有一批新的成熟技术正在示范和推广之中。这些技术有的是对传统的处理方法进行技术改造，有的则是寻找新思路和新措施。目前农作物秸秆综合利用的途径主要有：机械化秸秆还田［7-9］,秸秆饲料［10-12］，秸秆能源。随着石油资源的日益枯竭，能源短缺已成为困扰人类社会发展的重大问题，因此以秸秆为原料生产燃料乙醇在近年来引起人们广泛的关注［13］。但在以秸杆为原料生产燃料乙醇的过程中，最大的问题是原料的预处理。预处理的主要作用是改变秸杆的主要成分天然纤维的结构，脱去木质素，增加酶与纤维素的接触面积，从而将秸秆中的纤维素水解为可溶性糖。目前预处理的方法主要有生物、化学、物理和氨冷冻爆破法［14-1，6］但预处理效果不理想，且对生产设备的腐蚀、磨损和耗能较严重，因此开发高效、低成本的预处理方法成为急需解决的技术问题。本研究分别以原秸秆粉碎60目、超细200目、膨化60目和膨化超细400目四种不同预处理的玉米秸秆为原材料，采用物理与化学相结合的方法，在高压蒸汽条件下，以一定NaOH浓度水解玉米秸秆，考察在一定的水解温度、时间、NaOH浓度和固液比四种因素条件下水解玉米秸秆所产可溶性糖含量，并确定了水解温度、时间、NaOH浓度和固液比四种因素最佳水解条件。试验材料与仪器试验材料原秸秆粉碎60目，超细200目，膨化粉碎60目，膨化超细400目玉米秸秆均采自新乡市红旗区盐酸质量分数为（37.2%）郑州尼派化学试剂厂氢氧化钠（分析纯）天津市东丽区天大化学试剂厂仪器电子天平JA5002型）上海精天电子仪器有限公司微型植物式样粉碎机（FZ102型）北京中兴伟业仪器有限公司糖度计，三角瓶，量筒（100ml）,小漏斗，烧杯，容量瓶（100ml）方法步骤不同预处理玉米秸秆碱水解试验表1各试验因素梯度表因素水解时间/min水解温度/°cNaOH浓度/%固液比/g/ml梯度1301051.01:14梯度2901152.01:20梯度31501253.01:26粉碎60目玉米秸秆碱水解试验根据表1,将粉碎60目的玉米秸秆在水解时间、水解温度、NaOH浓度和固液比四种因素的三个梯度进行组合试验，计34=81组合。测定每种组合的水解液可溶性糖含量。超细200目玉米秸秆碱水解试验根据表1，将超细200目的玉米秸秆在水解时间、水解温度、NaOH浓度和固液比四种因素的三个梯度进行组合试验,计34=81组合。测定每种组合的水解液可溶性糖含量。膨化粉碎60目玉米秸秆碱水解试验根据表1,将膨化粉碎60目的玉米秸秆在水解时间、水解温度、NaOH浓度和固液比四种因素的三个梯度进行组合试验，计34=81组合。测定每种组合的水解液可溶性糖含量。膨化超细400目玉米秸秆碱水解试验根据表1，将膨化超细400目的玉米秸秆在水解时间、水解温度、NaOH浓度和固液比四种因素的三个梯度进行组合试验,计34=81组合。测定每种组合的水解液可溶性糖含量。可溶性糖含量测定用滤纸对碱水解后的不同预处理玉米秸秆的水解液进行过滤，而后再用浓盐酸将水解液的PH调至中性，用糖度计测其水解液可溶性糖含量。最适预处理方法确定根据以上不同预处理玉米秸秆碱水解试验后可溶性糖含量的高低，确定玉米秸秆最适的预处理方法。最适预处理玉米秸秆碱水解单因素试验最适预处理玉米秸秆碱水解时间确定根据方法步骤2.1，称取最适预处理玉米秸秆5.0g，取30min、60min、90min、120min、150min五种时间段，而水解温度、NaOH浓度、固液比三因素按可溶性糖含量最高时的处理组合不变，进行试验。最适预处理玉米秸秆碱水解温度确定根据方法步骤2.1,称取最适预处理玉米秸秆5.0g,取105€、110€、115°C.120€、125C五种温度，而水解时间、NaOH浓度、固液比三因素按可溶性糖含量最高时的处理组合不变,进行试验。最适预处理玉米秸秆碱水解碱浓度确定根据方法步骤2.1，称取最适预处理玉米秸秆5.0g,分别加入1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%五种浓度的NaOH，而水解时间、温度、固液比三因素按可溶性糖含量最高时的处理组合不变，进行试验。最适预处理玉米秸秆碱水解固液比确定根据方法步骤2.1,称取最适预处理玉米秸秆5.0g,以1:14、1:17、1:20、1:23和1:26五种固液比，而水解时间、温度、NaOH浓度三因素按可溶性糖含量最高时的处理组合不变,进行试验。2.5最适预处理玉米秸秆碱水解的正交设计根据单因素试验结果,在一定范围内对最适预处理玉米秸秆碱水解时间、水解温度、NaOH浓度、固液比四种因素设计适当正交方案,并对该方案做正交试验优化。结果与分析最适预处理玉米秸秆方法确定原秸秆粉碎60目、超细200目、膨化60目和膨化超细400目四种不同预处理的玉米秸秆,经水解时间、温度、NaOH浓度和固液比四种因素的所有组合水解试验,最高可溶性糖含量如表2。表2试验组合及对应糖含量预处理粉碎60目超细200目膨化粉碎60目膨化超细400目水解时间/min909015090水解温度/C105115105105NaOH浓度/%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,原秸秆粉碎60目、超细200目、膨化60目和膨化超细

400目四种不同预处理的玉米秸秆，可溶性糖含量超细200目〉粉碎60目〉膨化粉碎60目〉膨化超细400目。即超细200目预处理玉米秸秆在水解时间为90min,温度为115C,NaOH浓度为2.0%，固液比为1:20时，水解液中的可溶性糖含量最高为11.3%。因此，超细200目预处理玉米秸秆为最适。超细200目玉米秸秆碱水解的单因素试验结果水解温度的影响在水解时间、固液比、NaOH浓度不变的条件下，水解温度不同时得到的水解液可溶性糖含量如下图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温度/°C图1水解温度的影响由图1可以看出，水解温度越高，水解效果越好。这可能是因为水解温度越高，越利于纤维素的糖苷键断裂，越利于水解过程的进行，化学反应越充分，但在115C以后，可溶性糖产量有所下降，这可能是因为随着水解温度不断升高，影响纤维素糖苷键的断裂，故采用适宜的水解温度，既可以减少能量消耗，又能保证获得最高含量的可溶性糖。水解时间的影响在水解温度、固液比、NaOH浓度不变的条件下，水解时间不同时得到的水解液可溶性糖含量如下图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%时间/min图2水解时间的影响由图2可以看出，在水解过程的前90min,随着碱水解时间增加，可溶性糖的产量提高，120min以后，可溶性糖产量有下降趋势。这可能是因为处理时间的增加会导致纤维素水解后生非可溶性糖类物质，所以采用适宜的水解时间也可以减少能量的消耗和副反应的发生。NaOH浓度的影响在水解时间、固液比、水解温度不变的条件下，NaOH浓度不同时得到的水解液可溶性糖含量如下图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浓度/%图3NaOH浓度的影响由图3可以看出，随着NaOH浓度的增加，可溶性糖的产量增加，采用2.0%的NaOH与3.0%的NaOH获得的可溶性糖量相差甚微，可见在相对较低浓度NaOH的条件下玉米秸秆中的纤维素和木质素就可以充分水解。采用较低浓度的NaOH不仅可以降低预处理成本，还能减少后续微生物发酵过程中剩余碱的费用。固液比的影响在水解温度、NaOH浓度、水解时间不变的条件下，固液比不同时得到的水解液可溶性糖含量如下图4。固液比/g/ml图4固液比的影响固液比/g/ml图4固液比的影响由图4可以看出，随着固液比的减小，可溶性糖产量下降。这是因为随着固液比的减小，反应体系中的含水量太高，从而影响水解反应的充分进行。但固液比太大，反应体系中玉米秸秆与稀NaOH不能够充分的接触，亦影响反应的进行。因此在试验过程中应综合考虑各种因素来确定适宜的固液比。超细200目玉米秸秆碱水解的正交优化根据以上单因素试验结果，在最适宜的范围内为每个因素选取三个水平，采用L（34）正交表对这些因素进行正交试验，考察各因素之间的相互作用。试9验因素和水平见表3，试验结果和分析见表4。表3正交试验因素水平试验因素水解时间/min水解温度/°CNaOH浓度/%固液比g/ml1601101.51:172901152.01:2031201202.51:23表4正交试验结果分析ABCD可溶性糖产量/%序号水解时间水解温度NaOH浓度固液比试验111117.3试验212226.5试验313338.7试验4212310.1试验522318.1试验623127.2试验731326.8试验832137.1试验933218.8K17.508.077.28.06K28.407.238.476.83K37.568.237.878.63R0.901.001.271.80由表4通过极差分析可知，R>R>R>R，可见水解时间对玉米秸秆碱水解DCBA结果的影响不显著，而NaOH浓度和固液比对玉米秸秆碱水解结果的影响较为显著，所以，对玉米秸秆碱水解可以采取较短的水解时间。最佳碱水解条件为3D3C1B1A，即固液比为1:17,NaOH浓度为2.5%，水解温度为110°C，水解时间为60min时可溶性糖产量最高，达12.1%。3讨论通过本试验，我们对原秸秆粉碎60目、超细200目、膨化60目和膨化超细400目四种不同预处理的玉米秸秆，以温度、碱浓度、水解时间、固液比为参数进行玉米秸秆碱水解最佳条件探究，得出NaOH水解超细200目玉米秸秆的最佳条件：固液比为1:17,NaOH浓度为2.5%，水解温度为110C，水解时间为60min。在此条件下，玉米秸秆能得到充分水解，水解液可溶性糖产量最高，达12.1%。并且在此条件下能有效地节约能源，减少副产物的产生。参考文献张源泉，孙风英，关凤梅等．玉米秸秆稀硫酸预处理条件的初步研究[J].纤维素科学与技术，2002，10(2)：32-36韩鲁佳，闫巧娟，刘向阳等.中国农作物秸秆资源及其利用现状[J].农业工程学报，2002，18(3)：87-91朱圣权，张衍林，张文倩，张俊峰.厌氧干发酵技术研究进展[J].可再生能源，2009，2(3)：27-31叶小梅，常志州.有机固体废物干法厌氧发酵技术研究综述[J].生态与农村环境学报，2008，1(3)：24-27杨兴，张