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农业工程学报&’()*(+,-.)*./,012345
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微波强化酸预处理玉米秸秆乙醇化工艺研究
李
静<=!=杨红霞"=
杨勇<=刘燕<=魏世强<
=!><8西南大学资源环境学院=重庆?$$%<#@!8重庆市农业资源与环境研究重点实验室=重庆?$$%<#@
"8济宁职业技术学院生物化学工程系=济宁!%!$ 摘 要C 采用酸预处理正交试验和微波强化酸预处理试验=研究时间D 温度D 基质浓度D 硫酸浓度及粒径对玉米秸秆糖化预 处理效果的影响E 结果表明C 酸预处理时=时间D 温度D 硫酸浓度D 基质浓度D 粒径A 个因素都是主要影响因子=其最佳条件为C 时间!0D 温度<"$FD 硫酸浓度"GD 基质浓度"A H I J D 粒径$8A $K K @微波可强化酸预处理效果=提高糖化速度=秸秆还原糖得率与酸预处理的得率基本持平=微波强化酸预处理的最优条件为C 粒径$8A $K K D 基质浓度"A H I J =硫酸浓度?G=在!A A L 微波作用下预处理#$K -) E 关键词C 玉米秸秆@微波@酸预处理@微波强化酸预处理@乙醇化中图分类号C 3!<#8!文献标识码C 4 文章编号C <$$!M #N 李 静=杨红霞=杨 勇=等8微波强化酸预处理玉米秸秆乙醇化工艺研究P : Q 8农业工程学报=!$$%=!">#B C B 收稿日期 C !$$#M <$M 基金项目C 重庆市科委自然科学基金计划项目资助>23&2=!$$#^^ %""A B 作者简介C 李静> 男=重庆合川人=副教授=博士研究生=主要从事环境科学与工程方面的教学与科研工作E 重庆西南大学资源环境学院=?$$%<#E 5K (-7C 7-_-)H K U ’‘[(0..8+.K 8+) a 引 言 纤维素是世界上最丰富的可再生资源=中国的纤维 类资源极为丰富=仅秸秆和皮壳每年可达#b <$N , =其中玉米秸秆约占"A G P <=!Q = 但这些原料大部分被烧掉=其能量利用率低=只有<$G 左右= 如果将生物质气化成气体或液体燃料>如酒精D 氢气D 柴油等B = 热效率可达"$G 以上P "Q E 随着人们环境意识的不断增强以及政府对环境问题的日益关注=以纤维素类物质为原料生产燃料乙醇的研究越来越受到重视P ?=A Q E 近年来=纤维素酶水解工艺发展迅速=但由于秸秆结构复杂=降低了纤维素酶与纤维素的有效接触=不利于酸解或酶解的进行=因此=需要在酶水解之前进行必要的预处理=以改变天然纤维素的结构=降低结晶度=脱去木质素=从而使纤维素和半纤维素更易被水解和发 酵P #=%Q E 常规的预处理方法主要是物理法和化学法=这些方法不足以破坏纤维素晶体结构以及去除木质素=而物 理与化学相结合的方法研究较少P A Q E 微波处理技术在分析化学方面已经得到应用并显示出明显的优越性P N Q E 作为一种方便D 高效D 清洁的能源=微波可以大幅提高某些 化学反应速度=缩短反应时间P O Q = 已有人将微波预处理运用于稻草糖化工艺研究P <$=< = 但微波技术用于玉米秸秆乙醇化预处理的研究至今鲜见报道E 本研究在酸预处理正交试验的基础上对微波强化酸预处理玉米秸秆糖化工艺进行了研究=以期提高酸解或酶解效率=为纤维素酶解糖化提供基础数据E c 材料与方法 c 8c 试验材料 玉米秸秆取自重庆市北碚区歇马镇=秸秆成分如表 备用E 表c 玉米秸秆的主要成分 &(Z 71 组成纤维素半纤维素木质素灰分含量I G A $8N A !?8O ? !8?$ c 8f 试验内容与方法 经过探索性试验=选定对秸秆糖化预处理效果影响较大的粒径D 基质浓度D T !3g ?浓度D 温度D 时间作为试验因素=进行正交试验=正交试验因素水平见表!E 精确称取一定量不同粒径的秸秆到!$$K J 的试管中>称准至$8$$ 用去离子水稀释到!A K J =使T !3g ?浓度达到 下进行h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h h O O < 万方数据 加热预处理!加热过程中经常旋转并摇动试管!达到规定时间"#$%$&和’()!将试管取出!冷却!用漏斗过滤!容量瓶定容!测定滤液还原糖含量!以确定最佳工艺条件*各处理作三个平行!重复两次* 表+, -."/0) 的正交试验因子水平设计 12345%,#6"’7)859:;<=>>2?@=A92<845B549 :<=A@(=;=<245C D5A:E5<@ 水平 因素 F 粒径 G E E H 基质浓度 G;I,J# K L%M N’浓度 G O P 温度 G Q R 时间 G( #S T%7#7##S S# %S T7S%7%##S% &S T U S&7&#%S& ’#T S S’7’#&S’ %)微波强化酸预处理 选取酸预处理中最佳的粒径和基质浓度条件!称取一定量的秸秆到#S S E,的三角瓶中!加入L %M N’"S! #O!%O!&O!’O)!用去离子水稀释至%7E,!摇匀!在三角瓶口上放置一个小漏斗!置于微波炉中!在设定功率和处理时间下进行预处理"表&)!在加热过程中经常旋转并摇动三角瓶*预处理后!测定滤液还原糖得率* 表V微波强化酸预处理试验 12345&R C D5A:E5<@=>2?:8W D A5@A52@E5<@ 3XE:?A=Y2B5W2??545A2@:=< 微波功率G Z 时间G E:< %77 %S’S6S ’’7 #S%S&S [S S #S#7%S 注\微波功率和处理时间参照朱圣东等]#%^的研究设定* -T V测定方法 纤维素$半纤维素$木质素$灰分的测定按李雪的方法进行]#&^!预处理滤液中还原糖采用P_M"&!7‘二硝基水杨酸)比色法测定!经不同预处理的秸秆还原糖得率"O)a]还原糖浓度bS T U G"预处理干物质量b秸秆纤维质含量)^b#S S O]#’^* +结果与分析 +T-酸预处理工艺条件的优化 酸预处理工艺条件下!还原糖平均得率为c T S’O d&U T[c O*由正交试验极差e的大小分析可知"见表’)!7个因素对秸秆还原糖得率的影响程度依次为\ 时间f温度f L %M N’浓度f基质浓度f粒径!最优方案 为F %H&K&P’R%组合!其产糖率高于宋安东等用#T S O 的盐酸预处理玉米秸秆后的糖产率"&6T%7O)]#7^*方差分析]#6^可知"见表7)!7个试验因子对酸预处理的影响都达极显著水平*因而!最有利于秸秆预处理的工艺条件为\时间%($温度#&S Q$L %M N’ 浓度&O$基质浓度&7;G,$粒径S T7S E E* 表/正交试验结果的直观分析 12345’g:9h242<24X959=>=A@(=;=<245C D5A:E5<@A59h4@9 序 号 F 粒径 G E E H 基质浓度 G;I,J# K L%M N’ 浓度G O P 温度 G Q R 时间 G( 糖得率G O 重复i重复j 糖得率 G O #S T%7#7##S S#[T&U c T6U c T S’%S T%7%7%##S%&’T&S&#T’%&%T c6 &S T%7&7&#%S&&U T U[&U T7c&U T[c ’S T%7’7’#&S’&&T’6&’T&’&&T U S 7S T7S#7%#%S’%[T%%%7T#6%6T#U 6S T7S%7##&S&&#T S[&#T6’&#T&7 [S T7S&7’#S S%&’T7’&’T’S&’T’[ c S T7S’7&##S#%&T6’%’T[%%’T#c U S T U S#7&#&S%&7T&’&&T6’&’T’U #S S T U S%7’#%S#%&T&%%c T7U%7T U6 ##S T U S&7###S’%#T’’%%T&7%#T U S #%S T U S’7%#S ST7c%&T%c#U T U& #&#T S S#7’##S&#[T7##7T c##6T66 #’#T S S%7&#S S’%#T S&%&T U7%%T’U #7#T S S&7%#&S#%%T67%#T U#%%T%c #6#T S S’7##%S%%c T%#%&T’&%7T c% k#%%U T#6#[S T[6#[’T%%#6U T c[#6S T U# l m#a ’#[T66 l m%a ’%%T U% k%%&%T&U%%7T&#%S%T7%#U#T#U%77T%[ k&%S’T7’%&6T c7%’#T c6%&7T’c%#7T’7 k’#[’T7S%S[T66%%#T U c%’’T S7%S c T U7 n#%c T6’%#T&7%#T[c%#T%&%S T## n%%U T S7%c T#6%7T&#%&T U S&#T U# n&%7T7[%U T6#&S T%&%U T’’%6T U& n’%#T c#%7T U6%[T[7&S T7#%6T#% 极差o[T%’c T%6c T’6U T%[##T[U 优方案F%H&K&P’R% 表0正交试验结果的方差分析 123457g2A:2=A@(=;=<245C D5A:E5<@A59h4@9变异来源p p q r sp r r S T S7r S T S# 粒径%6U T c&&c U T U’%%T c&t t&T%’7T%U 基质浓度&#%T7’&#S’T#c%6T’7t t L%M N’浓度&##T c7&#S&T U7%6T&U t t 温度’[#T6’[T%#&U T U#t t 时间76#T#c&#c[T S6’[T’c t t 误差6&T S&T U’ 总变异#U U S T U&&# tt\表示影响达极显著水平* +T+微波强化酸预处理对秸秆还原糖得率的影响 当只有微波预处理秸秆时"L %M N’ 浓度为S)!秸秆还原糖得率很低!只有S T S7OdS T U%O!而微波与酸联合预处理时!秸秆还原糖得率显著升高!最大值分别为%c T U6O"L%M N’浓度为#T S O)$&6T’#O"L%M N’浓度 为%T S O)$&6T[c O"L %M N’ 浓度为&T S O)和&U T c%O "L%M N’浓度为’T S O)"见表6)!说明微波需要与酸联 S S %农业工程学报%S S[年 万方数据 合作用才能发挥微波的效用!而从微波功率与作用时间来看!微波功率较低!作用时间较短!还原糖得率也很低!但是!微波功率较高"作用时间较长时!还原糖得率也很低!只有在适宜的微波功率与作用时间下!即在本试验条件下!微波功率为#$$%!时间为&’()*时! 还原糖得率最高!达+,-.#/!这主要是由于微波功率较低"作用时间较短时!微波和酸的作用还没有发挥出来!而微波功率较高!作用时间较长!还原糖又容易分解的缘故0