毕 业 文
题目 机溶剂预处理黄豆秸秆佳工艺条件研究
姓 名
学院 轻工学部制浆造纸工程学院
专业班级 轻化班
学 号
指导教师 讲师
日 期 20XX年 X 月 X 日
摘
着全球济快速发展源问题日益突出生物乙醇发展越越受重视木质纤维预处理生产生物乙醇重程目前预处理酸碱机溶剂预处理预处理条件确定预处理效果重素文研究机溶剂预处理黄豆秸秆佳工艺条件
文实验中利红外仪分析原料发现时存GSH型木素结构吸收峰证明黄豆秸秆禾科原料苯醇抽提利单素法原料进行预处理分寻找预处理适合温度保温时间乙醇浓度中心点值分170℃90min50然该中心点基础中心组合响应面法进行中心组合实验利软件STATISTICA进行响应面分析适合处理条件正中心点该条件1g原料终4253mg葡萄糖利软件Minitab进行数分析蒸煮率影响处理温度p值分0002极影响酶解率影响处理温度p值0019较影响通原料中心点预处理样品红外分析进步验证预处理木素脱情况
关键词：生物乙醇机溶剂预处理中心组合葡萄糖产率
Abstract
With the rapid development of the global economy energy issues have become increasingly prominent Development of bioethanol becoming more attention Wood fiber pretreatment is an important process to produce bioethanol Nowadays has three Pretreatment ways as acids alkalis and organic solvents pretreatment The pretreatment condition is an important factor in determining the effect of pretreatment This paper is an organic solvent pretreatment of soybean straw optimum conditions
In this paper the experiment we found GSH type lignin structure absorption through analysis of materials use infrared instrumentthe materials has been proved to be GramineaeSoybean straw has been benzenealcohol extraction firestly use the singlefactor method for pretreatment of raw materials the most suitable holding time the most suitable temperature and ethanol concentration has been found that is the central pointand its value is 170 ℃ 90min and 50 For then the center of the central composite experimental basis with a central composite response surface methodology using the software STATISTICA for data analysis the most suitable pretreatment conditions has been found to be the central pointUnder the conditions 1g material is eventually got 4253mg of glucose Using the software Minitab for data analysis the p value of the processing temperature to cooking yield is 0002 so the processing temperature is the greast impact to cooking yield and the impact was maximumThe p value of the processing temperature to enzymatic hydrolysis yield is 0019so the processing temperature is the greast impact to cooking yield and the impact was greater Raw materials and the materials after pretreatment with the condition of the central point has been analysised by infrared analysis we found what has lost in the process of pretreatment
Key words bioethanolorganic solvent pretreatment central composite glucose yield
目 录
摘 I
Abstract II
目 录 III
．绪 1
11 生物乙醇历史背景发展现状 1
111 国外生物乙醇发展现状 1
112 生物乙醇生产原料发展现状 2
12 生物乙醇生产方法步骤 2
121 原料预处理 3
122 水解 6
123 发酵 6
13 实验研究容意义 7
131 实验研究容 7
132 实验研究意义 7
二．实验方法程 9
21 实验原料仪器准备 9
211 实验原料 9
212 实验设备仪器 9
22 实验步骤 10
221 原料准备 10
222 操作步骤 10
三．分析讨 11
31 原料结构分析 11
32 单素实验预处理条件优化 11
321 乙醇浓度预处理影响 11
322 保温时间预处理影响 11
323 温度预处理影响 12
33 中心组合实验结果分析 13
331 蒸煮率变量响应分析 13
332 酶解率变量响应分析 15
333 葡萄糖产率变量响应分析 16
34 中心点红外检测分析 17
四．结 20
致谢 21
参考文献 22
．绪
11 生物乙醇历史背景发展现状
111 国外生物乙醇发展现状
目前源危机日趋严重供应全球济社会发展源石油需求越越石油资源储量越越少源供应日渐紧张局势全球国努力寻求新源代补充日渐稀少石油寻找生清洁源成世界发展趋势生物乙醇燃料正生性清洁性受国家重视关生物乙醇研究成广科技工作者首选研究方
世纪70年代中期起美国巴西代表国家开始发展生物乙醇计划国90年代末期开始鼓励生物乙醇发展目前生产生物乙醇原料玉米马铃薯等淀粉原料甘蔗等糖质原料类秸秆等纤维质原料进入新世纪着利玉米甘蔗豆等原料生产生物乙醇技术成熟掌握生物乙醇产量迅猛发展统计数显示1975年全球生物乙醇产量仅15亿加仑（1加仑3785升）2000年全球生物乙醇产量约44亿加仑2007年该数已增长约131亿加仑2008年数高速增长目前国科技界然致力类生物原料生产生物乙醇工艺技术研究断开拓原料源优化生产工艺技术
美国目前生物乙醇产量生产技术成熟国家2007年产量约58亿加仑全国25玉米生产生物乙醇 2007年1月美国提出新 源战略计划2012生物乙醇产量提高132亿加仑2017年产量达350亿加仑促进国生物乙醇生产 美国政府生产生物乙醇生产采取系列政策优惠保护措施包括生物乙醇生产企业进行直接补贴进口生物乙醇进行加收关税生物乙醇规模生产厂商实施税务减免措施通系列鼓励措施实施相关源法案生物乙醇美国力发展
巴西全球第二生物乙醇生产国全世界早生产生物乙醇燃料国家 早2O世纪70年代巴西开始实施生物乙醇燃料计划国消费出口国外需求推动巴西国生物乙醇燃料产量迅速增长目前巴西生物乙醇代生源占源消耗总量44％远高世界均水巴西世界第二生物乙醇生产国时世界 生物乙醇出口国2008年巴西国生物乙醇产量6472亿加仑占世界总产量37．3％ 2007年巴西乙醇燃料总出口量9．3亿加仑约占巴西总产量18％占全世界总出口量50％巴西生物乙醇甘蔗生产30年断发展 巴西已掌握较先进生物乙醇
生产技术方法加气候条件适宜巴西甘蔗具单产高含糖量高特点生物乙醇生产成全球低目前巴西旧断采取措施鼓励推动生物乙醇发展
国作发展中国源需求极源供极度重视发展生物乙醇国寻求源供元化重方式统计2007年国生物乙醇产量约133万吨（约44亿加仑）仅次美国巴西年国直鼓励生物乙醇发展计划2020年产量提升1000万吨（约33亿加仑）国传统农业国年农业秸秆产量十分丰富部分秸秆堆积焚烧形式浪费掉仅导致资源严重浪费带严重环境问题发展生物乙醇解决问题资源合理重复利时解决造成困扰环境污染问题意识问题2001年国中央政府投资50亿元吉林黑龙江河南安徽省建立4家型生物乙醇生产企业 2007 年投资广西兴建木薯原料生物乙醇生产企业外国出台系列政策鼓励生物乙醇发展包括免部分乙醇燃料消费税免部分生物乙醇生产税生物乙醇生产企业进行直接补贴等
112 生物乙醇生产原料发展现状
生物乙醇生产原料分四类：玉米薯类代表淀粉质原料生产出生物乙醇通常称第1代生物乙醇蜜糖蔗糖甜高粱等代表糖类原料生产出生物乙醇通常称第15代生物乙醇农作物秸秆蔗渣工厂纤维质角料代表纤维质原料生产出生物乙醇通常称第2代生物乙醇通养异养方式培养富含淀粉糖类微藻等微生物然中淀粉糖类生产生物乙醇该方法生产出生物乙醇通常称第3代生物乙醇
美国应广泛第类原料玉米味原料生产生物乙醇巴西绝部分生物乙醇甘蔗原料生产中国发展第1代第15代生物乙醇会消耗量粮食饲料等中国全球口国家少均粮食产量少粮食发展生物乙醇显然太符合国家基国情第3代生物乙醇发展目前研究中微藻类微生物培养需攻克难关中国秸秆产量丰富类纤维质物质浪费严重发展生物乙醇符合国目前国情第2代生物乙醇目前中国发展潜力适合国家发展战略
12 生物乙醇生产方法步骤
原料生产生物乙醇生产工艺方法着差异：
（1）淀粉质原料生物乙醇发酵工艺
原料处理 → 蒸料 → 糖化曲制备 → 糖化 → 酵母制备 → 乙醇发酵
→ 蒸馏 → 产品
（2） 糖质原料乙醇生物发酵工艺(糖蜜乙醇)
前处理 → 酵母制备 → 乙醇发酵 → 蒸馏 → 产品
（3） 纤维素原料生物乙醇发酵工艺水解发酵两步法时糖化发酵法（步
法）固定化细胞发酵法等基工艺程
催化剂 酵母
↓ ↓
纤维原料 → 预处理 → 水解 → 发酵 → 蒸馏 → 产品
实验研究纤维质原料生产生物乙醇文介绍纤维质原料生产生物乙醇基方法植物纤维原料制备生物乙醇核心步骤：原料预处理水解（糖化）发酵
121 原料预处理
植物秸秆部分组分植物细胞壁纤维素半纤维素木素含量十分丰富纤维素天然高分子化合物化学结构β—D—吡喃葡萄糖基彼14—β糖苷键链接成通式（CH2O）n 纤维素水（酶）解产生量葡萄糖半纤维素木糖少量阿拉伯糖半乳糖甘露糖组成成分五碳糖较易水解转变五碳糖木素具三维结构高分子化合物苯基丙烷结构通醚键碳碳键链接成木质素半纤维素果胶质等物质道填充物粘合剂形式存细胞微细纤维间阻碍水解纤维素重物质纤维素半纤维素木素植物细胞壁三重组成部分球丰富廉价生生物质原料资源实验研究原料黄豆秸秆中纤维素占4316半纤维素占2307木素占1683抽出物占271抽出物防止抽出物影响实验效果更佳突出明显实验中预处理前通常会原料进行苯醇抽提处理
植物细胞壁结构特征纤维素骨架半纤维素木素填充物填充物纤维素水解起阻碍作原料预处理制备生物乙醇工业化生产关键步骤目粉碎木质素半纤维素纤维素结构保护瓦解纤维素身晶体结构阻碍水解糖化发酵生物质结构纤维素水解酶够充分接触达良水解效果续发酵更进行预处理否合适续进行水解发酵工艺意义重预处理适水解时需酶品种量选择空间较效降低生产成时提高原料利率
工业评价预处理方法效性标准：1进行预处理前否须原料进行粉碎处理2否保留半纤维素中戊糖结构3否效限制发酵程具抑制作物质产生4源消耗少目前常预处理方法分物理法化学法生物法种方法联技术中物理法预处理技术包括蒸汽爆破机械破碎微波超声波等处理方法通预处理方法处理原料效改变天然纤维素结构化学法预处理技术包括酸碱臭氧机溶剂预处理效破坏纤维素晶体结构破木质素半纤维素纤维素间连接生物法预处理技术利降解木质纤维素类物质微生物产生生物酶降解木质素溶解半纤维素然述方法目前技术层面济效益方面种生物质原料生物乙醇规模生产国研究者通研究发现预处理方法存利弊针种类木质纤维素类原料物质提出预处理方法分介绍物理法化学法生物法预处理种方法联合预处理基情况
（1） 物理法
物理法蒸汽爆破法机械破碎微波超声波处理等蒸汽爆破法木质纤维素类生物质高压水蒸汽中短时间加热然快速释放压力气压原料历爆发性减压程该程导致纤维结构膨化破坏利促进游酶解环节机械破碎利机械直接纤维素类生物质原料进行处理原料结构破坏两种方法种类原料结果差异较微波处理时原料般浸泡较稀化学试剂中然利微波处理段时间研究发现利微波处理原料时适宜浸泡试剂氢氧化钠稀溶液Binod等利微波辅助进行甘蔗渣预处理450W条件微波碱处理5 min质量分数约90％木质素通X衍射扫描电镜傅里叶变换红外光谱检测证实微波处理效提高发酵糖产率超声波法关超声波预处理木质纤维素类物质相关研究较少已研究表明原料超声波处理纤维素糖化程度明显提高超声波预处理提高酶水解产率超声波处理带气室效应极促进酶分子原料基质表面运动气室破碎提供利酶促反应环境条件
（2） 化学法
化学法酸碱预处理机溶剂预处理
酸法预处理19世纪法国化学家Braconnot首先提出浓酸处理方法浓酸会腐蚀实验设备难回收纤维素水解转化糖时部分糖会进步反应成糠醛等副产物副产物会续发酵程产生抑制作年部分研究者高温低酸浓稀酸加催化预处理方法进行量研究高温低酸浓处理时半纤维素发生降解升高温度保证处理效果时降低酸量降低生产成效破坏木质素结构需较高温度(160℃220℃)设备较高求耗较高外产生抑制物会明显增加中低温度进行预处理达较高酶解转化率通加入催化剂方法加催化剂稀酸处理方法效溶出木素片段木质素脱时助续酶解转化率稀酸水解程中会产生害副产品问题未效解决元英进等稻草秸秆原料研究乙醇加入浓度硫酸预处理酶解糖化效率影响结果显示葡聚糖受酸浓度乙醇影响木聚糖着酸浓度升高明显降低乙醇加入木质素着酸浓度升高显著降低说明木质素需通加酸催化化学键断裂乙醇效溶解木质素片段
碱法预处理碱法预处理NaOH预处理氨水预处理药品原料进行预处理该方法原理利碱性溶液够溶解木质素特性稀NaOH溶液氨水定条件处理生物质原料破坏木质素结构木质素溶出暴露出纤维素提高纤维素酶性助酶解程进行酸法预处理相碱法预处理般条件较温设备求酸法预处理低木素脱率较高碱半纤维素降解作强导致碱法预处理程中50半纤维素降解溶出导致半纤维素纤维素损失较外碱法预处理产生副产物影响纤维素酶活性未碱法预处理研究方应该保证纤维含量条件达较脱木素效果减少副产物产生者掉预处理程中产生利副产物
机溶剂预处理机溶剂预处理采机溶剂水溶液木质纤维素原料进行预处理增强实验预处理效果时会加入适催化剂机溶剂预处理脱木质素降解半纤维素原料孔隙率表积增加增纤维素酶纤维素接触积
乙醇预处理目前研究较机溶剂预处理方法乙醇具挥发性低毒易回收利特点目前乙醇作溶剂处理木质纤维素原料研究较催化乙醇处理法酸催化乙醇处理法催化乙醇处理法通常指乙醇外添加化学药品作催化剂赖预处理程中释放机酸(乙酸)提供需酸度乙醇预处理法反应温度通常180℃210℃间酸催化乙醇预处理法指体系中直接添加机酸机酸作催化剂促进脱木素作半纤维素水解加入酸性催化剂降低反应温度压力
稀酸预处理相机溶剂预处理程中脱部分木素稀酸预处理然降解部分半纤维素部分木素残留原料中会酶解程中吸附纤维素酶导致效酶浓度降降低酶解转化率传统稀酸预处理相机溶剂预处理较优势方法文实验研究程中分催化乙醇处理法酸催化乙醇处理法两种机溶剂预处理方法进行实验分析
（3） 生物法
生物法利生物酶者微生物直接处理原料目前微生物褐色白色腐真菌等真菌效降解木质素半纤维素特白腐真菌已研究证实针种类木质纤维素原料白腐真菌表现出高木质素作生物法预处理原料研究空间具污染环境成较低利续操作等优点生物法存着诸局限例预处理中续操作中特注意杂菌污染外处理需时间较长重复性较差
（4） 种方法联合预处理
种预处理方法利弊学者种方法联合技术进行相关分析Pang等利蒸汽爆破微波辐射联技术(SEM I)处理玉米芯原料结果中发现葡萄糖木糖酶水解产率效提高SEM I技术降低生物质原料纤维结晶度着显著作诸物理化学方法联技术利微波法处理时先化学试剂处理原料然进行微波处理利蒸汽爆破法处理时时通入二氧化硫等提高作效果利微生物处理原料时联合机溶剂法提升处理效果等种方法联合预处理着广泛研究空间作效果通方法结合效提升
122 水解
水解程破坏纤维素半纤维素分子结构转化发酵单糖目前水解工艺酸水解酶水解两种早期水解工艺利稀酸浓酸破坏纤维素晶体结构酸水解较容易产生较副产物回收处理较难增加工艺条件复杂性酸水解发展具局限性酶水解条件相较温程稳定商业酶溶液成已幅度降低较适促进生物乙醇商业化发展水解工艺纤维素葡萄糖基彼14β糖苷键连结成正纤维素结构简单性决定酶水解简单性
影响酶水解素酶水解温度酶溶液pH值水解底物特性温度pH值酶水解程影响作纤维素酶活性影响般说纤维素酶适温度范围4565℃适pH值4055外预处理木素程度半纤维素溶解度酶解影响木质素生物质原料中酶解作阻碍组成成分半纤维素纤维素结合紧密木素半纤维素越生物质中纤维素酶性越水解效果越纤维素晶体结构影响酶解效果重素破坏纤维素晶体结构破坏纤维素长链结构然研究表明晶体结构破坏终酶解产量没明显影响会提高酶解速率影响
123 发酵
木质纤维原料预处理酶水解酶解液中含葡萄糖木糖阿拉伯糖纤维素半纤维素降解物质水解液微生物发酵获乙醇分子机酸发酵工艺程2类：
(1) 分步水解发酵工艺程(separate Hydrolysis and FermentationSHF)特点纤维素需先反应器进行水解然容器中进行发酵程水解发酵程分开进行两程均实现佳工艺条件水解程中着容器水解产物葡萄糖等越越会纤维素酶活性产生抑制作水解效果太理想该方法传统生物乙醇制备工艺
(2)效解决水解产物葡萄糖等纤维素酶抑制作问题发展步糖化发酵程(simultaneous sacchairfication and FermentationSSF)SSF程特点酶水解乙醇发酵相结合反应容器中进行原料酶水解产物糖类生成会马进行发酵效降低容器水解产物浓度促进水解反应进行乙醇水解反应抑制作糖类相SHF程SSF程反应速率更快乙醇产率更高浓度更外程设备简单易操作优点该生产程限制条件酶水解发酵程佳工艺条件时达成终产率非定SHF
13 实验研究容意义
131 实验研究容
实验研究黄豆秸秆原料生产生物乙醇重环节研究机溶剂（乙醇）预处理黄豆秸秆佳工艺条件黄豆秸秆原料研究乙醇预处理中处理时间处理温度乙醇浓度预处理产葡萄糖影响先进行单子实验分找找三素适点中心点然中心点基础中心组合响应面法找出预处理产葡萄糖佳工艺条件时分分析条件变化预处理率酶解率葡萄糖产率影响程度
132 实验研究意义
全世界年量农业废弃物产生中中国年约7亿吨农业废弃物产生农业废弃物通常焚烧导致量纤维素资源浪费时导致严重空气污染符合国家发展战略求天然纤维原料结构相复杂酶解时纤维素酶系纤维素接触困难酶解难度需酶水解前进行必预处理改变天然纤维原料结构降低纤维结晶度脱木质素提高酶解效率文实验研究选取机溶剂（乙醇）黄豆秸秆进行预处理酶解糖化效果进行研究期寻找纤维素酶解转化葡萄糖等糖类物质佳预处理工艺条件促进产业化进程
预处理技术作木质纤维转化资源关键步骤科研工作者关注焦点传统化学处理机械处理技术等耗较程度存环境污染乙醇预处理反应程中化学药品催化剂赖乙醇预处理程中释放酸提供需酸度乙醇催化加入极少量稀酸溶液作催化剂外乙醇简易回收循环较解决减法废液污染问题
黄豆秸秆酶解糖化产糖转化生物乙醇重资源秸秆纤维素资源（农业废弃物）合理开发利转化类需资源仅资源合理化应避免环境污染够类然带更利益寻找酶解转化前预处理佳工艺条件秸秆资源实现合理产业化应重步
二．实验方法程
21 实验原料仪器准备
211 实验原料
实验原料：玉米秸秆 （山东某厂）
表21 化学试剂览表
药品名称
纯度级
生产厂家
苯
分析纯
国药集团化学试剂限公司
95乙醇
分析纯
国药集团化学试剂限公司
水乙醇
分析纯
国药集团化学试剂限公司
水醋酸钠
分析纯
国药集团化学试剂限公司
乙酸
分析纯
国药集团化学试剂限公司
浓硫酸
分析纯
国药集团化学试剂限公司
酶粉
分析纯
武汉中南生物酶制剂限公司
试剂外试验中实验室配制DNS溶液测定标准曲线Y06916X00237
212 实验设备仪器
表22 实验设备览表
型号
名称
生产厂家
FZ102
微型植物粉碎机
天津市泰斯特仪器限公司
360
傅里叶红外光谱仪
美国Thermo Nicolet公司
9060
锈钢电热蒸馏水器
海市博讯事业限公司医疗设备厂
KQC
玻璃仪器气流烘干器
巩义市予华仪器限责公司
AL 204
电子分析天
梅特勒托利仪器（海）限公司
DF101S
集热式加热磁力搅拌器
郑州长城科工贸限公司
SHZD(Ⅲ)
循环水式真空泵
巩义市予华仪器限责公司
ZHWY2112B
恒温培养振荡器
海市智诚分析仪器限公司
UV2550
紫外见分光光度计
日SHIMADZU公司
外真空干燥箱热风烘箱13ml钢罐电炉液枪等
玻璃仪器：
索氏提取器500ml50ml烧杯250ml50ml10ml容量瓶25ml三角瓶G2砂芯漏斗G2砂芯坩埚250ml抽滤瓶100ml25ml量筒25ml色10ml2ml1ml移液玻璃棒等
22 实验步骤
221 原料准备
（1） 取定量黄豆秸秆中枯叶黄豆秸秆型粉碎机粉碎
（2） 40目60目网筛步粉末进行筛选4060目秸秆粉末测定水分计算300g绝干需量筛选出足够量备
（3） 原料进行苯醇抽提处理处理风干放入真空干燥箱备
222 操作步骤
（1） 单素法寻找中心点：
①．取绝干样品1g处理液10ml（硫酸浓度05）钢罐分控制保温时间（30min60min90min）处理温度（140℃150℃160℃）预处理液乙醇浓度（25％50％75％）单素变量进行预处理
②．处理样品放置冰箱24h测定水分计算出蒸煮预处理率
③．酶解糖化处理取预处理样品绝干025g25ml三角瓶加入事先配酶液25ml放置恒温培养振荡器中50℃条件振荡处理72h
④．取糖化处理液稀释相应倍数取15ml稀释液加入2mlDNS溶液沸水处理10min溶液稀释25ml
⑤．述溶液进行紫外检测测定540nm吸收值计算出糖含量酶解率
⑥．结合预处理率酶解率相应预处理条件葡萄糖产率
⑦．分析糖产率数分适合预处理保温时间处理温度乙醇浓度中心点①处理条件中未中心点分温度保温时间乙醇浓度变化趋势补进处理条件重复述程直找中心点
（2） 中心组合响应面法寻找适预处理条件
①（1）中中心点基础确定出中心组合响应面法预处理条件
②．中心组合条件组预处理条件进行蒸煮预处理
③．处理样品进行步骤（1）中②⑥处理终数
④．分析数软件STATISTICA温度保温时间乙醇浓度三选二XY轴蒸煮率酶解率葡萄糖产率三选Z轴作XYZ3D图适处理条件Minitab软件分析p值确定素实验结果影响情况
（3）．原料中心点预处理样品进行红外检测较分析结构变化
三．分析讨
31 原料结构分析
试验原料黄豆秸秆属禾科植物原料检测组成表
表31 黄豆秸秆原料成分表
综纤维素
纤维素
木素
抽出物
灰分
总
黄豆秸秆
6623
4316
1683
271
271
8848
原料进行红外检测谱图放34节中中心点处红外谱图分析
32 单素实验预处理条件优化
查阅相关文献资料考虑实际操作情况实验选酸催化乙醇预处理通前期实验较实验中采取05硫酸作催化剂固液选110分控制单素变量找出预处理温度保温时间乙醇浓度佳值
321 乙醇浓度预处理影响
预处理时乙醇浓度预处理结果会实验考察255075乙醇浓度处理原料预处理酶解效果影响预处理条件处理温度150℃保温时间60min
表32 乙醇浓度预处理黄豆秸秆项产率表
温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mgmg原料
150
60
25
7368
4878
3594
150
60
50
7017
5315
3730
150
60
75
4842
7188
3480
表中出乙醇浓度越高蒸煮率变少酶解率升高乙醇浓度越高反应条件越剧烈木素脱越蒸煮率越低酶解时酶纤维素性越高酶解率越高综合二者50乙醇浓度时葡萄糖产率综合考虑50乙醇浓度时较适合预处理乙醇浓度
322 保温时间预处理影响
通查阅资料知预处理保温时间预处理结果酶解结果定影响实验考察保温306090120min预处理实验结果影响预处理条件150℃乙醇浓度50
表33 保温时间预处理黄豆秸秆项产率表
温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mg100mg原料
150
30
50
7031
5183
3644
150
60
50
7017
5315
3730
150
90
50
6533
5868
3833
150
120
50
5141
7138
3670
表难出控制保温时间单变量时保温时间越长蒸煮率越低酶解率越高表明保温时间越长预处理时木素脱越彻底纤维素半纤维素降解水越高酶解处理时酶纤维素性越高酶解率越高综合二者知保温90min时葡萄糖产率高综合考虑知90min时预处理时较理想保温时间
323 温度预处理影响
温度影响预处理重素实验中根查阅参考文献实际操作条件结合前面实验研究140180℃五温度预处理实验结果影响余预处理条件保温时间90min乙醇浓度50预处理结果酶解结果糖产率表
表34 温度预处理黄豆秸秆项产率表
温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mg100mg原料
140
90
50
6841
5096
3486
150
90
50
6533
5868
3833
160
90
50
5851
7053
4127
170
90
50
5362
7932
4253
180
90
50
4861
7663
3725
表出170℃预处理终葡萄糖产率高表显示温度越高预处理率越低酶解率越高说明着预处理条件变剧烈木素脱越纤维素半纤维素降解越蒸煮率降酶解糖化程中纤维素降解葡萄糖产率增综二者出170℃葡萄糖产率综合考虑170℃较理想预处理温度
3节知预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50葡萄糖率高较合适预处理条件实验中选取该条件中心点该中心点基础进行步中心组合响应面实验寻找终适预处理条件实验寻找佳预处理工艺条件
33 中心组合实验结果分析
实验中心点根前面单素实验设计三素三水中心组合实验进步优化预处理工艺条件
表35 中心组合实验中素水
条件素
单位
1
0
+1
预处理温度
℃
160
170
180
保温时间
min
30
90
150
乙醇浓度
25
50
75
确定中心组合实验预处理条件进行实验蒸煮率酶解率葡萄糖产率表
表36 中心组合实验中操作条件
编号
素操作条件
实验结果
处理温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mg100mg原料
1
160
30
25
6806
473
3219
2
160
150
25
6511
526
3425
3
160
30
50
6676
5125
3422
4
160
90
50
5851
7053
4127
5
160
150
50
5742
688
375
6
170
90
25
5754
6019
3463
7
170
90
75
4813
7563
364
8
170
30
50
5768
6841
3941
9
170
90
50
5362
7932
4253
10
170
150
50
5163
7789
4021
11
180
30
25
5632
6531
3678
12
180
150
25
5466
7432
4062
13
180
30
50
5016
7683
3853
14
180
90
50
4861
7663
3725
15
180
150
50
4818
7812
3764
331 蒸煮率变量响应分析
确定条件相预处理温度保温时间乙醇浓度表36确定值进行实验实验结果STATISTICA软件蒸煮率响应值预处理温度保温时间乙醇浓度变量做出响应面图图31
a b
C
图31STATISTICA软件拟合素蒸煮率影响a：保温时间乙醇浓度变量蒸煮率响应面b：乙醇浓度处理温度变量蒸煮率响应面c：保温时间处理温度变量蒸煮率响应面
图中出着反应条件加剧蒸煮率越越低说明着条件加剧黄豆原料中木素脱越彻底纤维素半纤维素降解越蒸煮率预处理条件数软件Minitab 15进行分析蒸煮率关处理温度p值0002＜0005表明处理温度蒸煮率影响蒸煮率关保温时间p值0292表明保温时间蒸煮率定影响蒸煮率关乙醇浓度p值0133表明乙醇浓度蒸煮率较影响三者中蒸煮率影响预处理温度影响保温时间
332 酶解率变量响应分析
实验结果STATISTICA软件酶解率响应值处理温度保温时间乙醇浓度变量做响应面图图32
d e
f
图32 STATISTICA软件拟合素酶解率影响d：保温时间乙醇浓度变量酶解率响应面e：乙醇浓度处理温度变量酶解率响应面f：保温时间处理温度变量酶解率响应面
图中容易出着反应条件加剧酶解率越越高说明着条件加剧黄豆原料中木素脱越彻底糖化时纤维素酶纤维素性变纤维素转化葡萄糖转化率增酶解率增长速度着预处理条件越越剧烈逐步变缓预处理条件定值酶解率升非值升
酶解率预处理条件数软件Minitab 15进行分析酶解率关处理温度p值0019表明处理温度蒸煮率影响蒸煮率关保温时间p值0092表明保温时间蒸煮率较影响蒸煮率关乙醇浓度p值0265表明乙醇浓度蒸煮率定影响前两者三者中酶解率影响预处理温度影响乙醇浓度
333 葡萄糖产率变量响应分析
实验结果STATISTICA软件葡萄糖产率响应值处理温度保温时间乙醇浓度变量做响应面图图33
g h
i
图33 STATISTICA软件拟合素酶解率影响g：保温时间乙醇浓度变量葡萄糖产率响应面h：乙醇浓度处理温度变量葡萄糖产率响应面i：保温时间处理温度变量葡萄糖产率响应面
图中容易出葡萄糖产率处理温度保温时间乙醇浓度变化时响应面均凸出球面部分说明变量变化葡萄糖产率会出现高点结合ghi三图容易处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50时葡萄糖产率达高点中心点时葡萄糖产率达高
葡萄糖产率预处理条件数软件Minitab 15进行分析葡萄糖产率关处理温度p值0306表明处理温度蒸煮率影响较蒸煮率关保温时间p值0186表明保温时间蒸煮率定影响蒸煮率关乙醇浓度p值0485表明乙醇浓度蒸煮率影响较三者中葡萄糖产率影响预处理保温时间影响乙醇浓度三者终葡萄糖产率影响特葡萄糖产率蒸煮率酶解率决定影响蒸煮率酶解率均预处理温度
34 中心点红外检测分析
实验中黄豆原料中心点预处理样品进行红外检测红外图
图34 黄豆原料中心点预处理样品红外图
表37预处理前样品红外光谱官团属
波数cm1
峰属
黄豆原料
中心点预处理样品
292276
292209
甲基亚甲基次甲基
173641
174295
芳香环非轭羧酸酯酯
162783
163165
侧链αβ碳原子轭双键
150879
150845
芳香环
138378
138415
芳香核（OH）
132152
紫丁香核
124787
124621
愈创木核甲氧基
105631
105931
芳香核（G）
图34表37查阅相关参考资料容易出2922cm1处甲基亚甲基次甲基吸收峰1735cm1处芳香环非轭羧酸酯酯吸收峰1508cm1处芳香环吸收峰苯环特征吸收峰1383cm1处芳香核（OH）吸收峰1321cm1紫丁香核吸收峰1250cm1处愈创木核甲氧基吸收峰1056cm1处G型芳香核吸收峰842cm1处羟苯基振荡吸收峰H型木素结构单元特征吸收峰黄豆原料红外图中明显显示吸收峰证明黄豆秸秆中存着量GSH型木素结构单元查阅资料知针叶木阔叶木成分分析显示均含少量羟苯甲基木素结构单元实验中原料检测显示时含量愈疮木基紫丁香基羟苯基结构证明黄豆原料禾科
两红外图发现中心点条件预处理样品红外吸收峰相原料图明显削弱特芳香环芳香核吸收峰明显削弱1508cm11383cm11321cm11056cm1842cm1吸收峰处原料中明显吸收峰中心点条件预处理峰值减弱波长处甚检测峰说明预处理程中木质素结构量纤维素酶纤维素结构性增加酶解糖化创造条件
四．结
（1） 通单素实验预处理中心点预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50通中心组合实验做出响应面进步验证佳预处理条件预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50机溶剂预处理黄豆秸秆佳工艺条件预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50
（2） 通预处理蒸煮率酶解率数分析知道反应条件加剧蒸煮率越越低预处理温度保温时间乙醇浓度三者蒸煮影响预处理温度反应条件加剧酶解率升升幅度逐步变缓预处理温度保温时间乙醇浓度三者酶解影响预处理温度
（3） 通原料中心点预处理样品红外检测分析木质素特征吸收波段进步证实黄豆原料禾科木素结构特征吸收峰预处理明显减弱证实预处理程中木素量脱酶解提供极便利
致谢
着学生活接尾声学项务毕业文完成感谢帮助感谢毕业文实验文完成中予帮助
首先感谢导师XX老师研究学位文姚老师亲切关怀悉心指导完成严肃科学态度严谨治学精神精益求精工作作风深深感染激励着课题选择项目终完成姚老师始终予细心指导懈支持谨姚老师致诚挚谢意崇高敬意次非常感谢XX师兄实验程中红外紫外操作数分析等方面予悉心指导支持时感谢生活予关心时感谢组学实验程中予帮助感谢夕相处室友予关心支持
感谢家年培养支持微关怀利完成毕业实验文整学学业生涯力思想动力感谢
参考文献
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216
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毕 业 文
题目 机溶剂预处理黄豆秸秆佳工艺条件研究
姓 名
学院 轻工学部制浆造纸工程学院
专业班级 轻化班
学 号
指导教师 讲师
日 期 20XX年 X 月 X 日
摘
着全球济快速发展源问题日益突出生物乙醇发展越越受重视木质纤维预处理生产生物乙醇重程目前预处理酸碱机溶剂预处理预处理条件确定预处理效果重素文研究机溶剂预处理黄豆秸秆佳工艺条件
文实验中利红外仪分析原料发现时存GSH型木素结构吸收峰证明黄豆秸秆禾科原料苯醇抽提利单素法原料进行预处理分寻找预处理适合温度保温时间乙醇浓度中心点值分170℃90min50然该中心点基础中心组合响应面法进行中心组合实验利软件STATISTICA进行响应面分析适合处理条件正中心点该条件1g原料终4253mg葡萄糖利软件Minitab进行数分析蒸煮率影响处理温度p值分0002极影响酶解率影响处理温度p值0019较影响通原料中心点预处理样品红外分析进步验证预处理木素脱情况
关键词：生物乙醇机溶剂预处理中心组合葡萄糖产率
Abstract
With the rapid development of the global economy energy issues have become increasingly prominent Development of bioethanol becoming more attention Wood fiber pretreatment is an important process to produce bioethanol Nowadays has three Pretreatment ways as acids alkalis and organic solvents pretreatment The pretreatment condition is an important factor in determining the effect of pretreatment This paper is an organic solvent pretreatment of soybean straw optimum conditions
In this paper the experiment we found GSH type lignin structure absorption through analysis of materials use infrared instrumentthe materials has been proved to be GramineaeSoybean straw has been benzenealcohol extraction firestly use the singlefactor method for pretreatment of raw materials the most suitable holding time the most suitable temperature and ethanol concentration has been found that is the central pointand its value is 170 ℃ 90min and 50 For then the center of the central composite experimental basis with a central composite response surface methodology using the software STATISTICA for data analysis the most suitable pretreatment conditions has been found to be the central pointUnder the conditions 1g material is eventually got 4253mg of glucose Using the software Minitab for data analysis the p value of the processing temperature to cooking yield is 0002 so the processing temperature is the greast impact to cooking yield and the impact was maximumThe p value of the processing temperature to enzymatic hydrolysis yield is 0019so the processing temperature is the greast impact to cooking yield and the impact was greater Raw materials and the materials after pretreatment with the condition of the central point has been analysised by infrared analysis we found what has lost in the process of pretreatment
Key words bioethanolorganic solvent pretreatment central composite glucose yield
目 录
摘 I
Abstract II
目 录 III
．绪 1
11 生物乙醇历史背景发展现状 1
111 国外生物乙醇发展现状 1
112 生物乙醇生产原料发展现状 2
12 生物乙醇生产方法步骤 2
121 原料预处理 3
122 水解 6
123 发酵 6
13 实验研究容意义 7
131 实验研究容 7
132 实验研究意义 7
二．实验方法程 9
21 实验原料仪器准备 9
211 实验原料 9
212 实验设备仪器 9
22 实验步骤 10
221 原料准备 10
222 操作步骤 10
三．分析讨 11
31 原料结构分析 11
32 单素实验预处理条件优化 11
321 乙醇浓度预处理影响 11
322 保温时间预处理影响 11
323 温度预处理影响 12
33 中心组合实验结果分析 13
331 蒸煮率变量响应分析 13
332 酶解率变量响应分析 15
333 葡萄糖产率变量响应分析 16
34 中心点红外检测分析 17
四．结 20
致谢 21
参考文献 22
．绪
11 生物乙醇历史背景发展现状
111 国外生物乙醇发展现状
目前源危机日趋严重供应全球济社会发展源石油需求越越石油资源储量越越少源供应日渐紧张局势全球国努力寻求新源代补充日渐稀少石油寻找生清洁源成世界发展趋势生物乙醇燃料正生性清洁性受国家重视关生物乙醇研究成广科技工作者首选研究方
世纪70年代中期起美国巴西代表国家开始发展生物乙醇计划国90年代末期开始鼓励生物乙醇发展目前生产生物乙醇原料玉米马铃薯等淀粉原料甘蔗等糖质原料类秸秆等纤维质原料进入新世纪着利玉米甘蔗豆等原料生产生物乙醇技术成熟掌握生物乙醇产量迅猛发展统计数显示1975年全球生物乙醇产量仅15亿加仑（1加仑3785升）2000年全球生物乙醇产量约44亿加仑2007年该数已增长约131亿加仑2008年数高速增长目前国科技界然致力类生物原料生产生物乙醇工艺技术研究断开拓原料源优化生产工艺技术
美国目前生物乙醇产量生产技术成熟国家2007年产量约58亿加仑全国25玉米生产生物乙醇 2007年1月美国提出新 源战略计划2012生物乙醇产量提高132亿加仑2017年产量达350亿加仑促进国生物乙醇生产 美国政府生产生物乙醇生产采取系列政策优惠保护措施包括生物乙醇生产企业进行直接补贴进口生物乙醇进行加收关税生物乙醇规模生产厂商实施税务减免措施通系列鼓励措施实施相关源法案生物乙醇美国力发展
巴西全球第二生物乙醇生产国全世界早生产生物乙醇燃料国家 早2O世纪70年代巴西开始实施生物乙醇燃料计划国消费出口国外需求推动巴西国生物乙醇燃料产量迅速增长目前巴西生物乙醇代生源占源消耗总量44％远高世界均水巴西世界第二生物乙醇生产国时世界 生物乙醇出口国2008年巴西国生物乙醇产量6472亿加仑占世界总产量37．3％ 2007年巴西乙醇燃料总出口量9．3亿加仑约占巴西总产量18％占全世界总出口量50％巴西生物乙醇甘蔗生产30年断发展 巴西已掌握较先进生物乙醇
生产技术方法加气候条件适宜巴西甘蔗具单产高含糖量高特点生物乙醇生产成全球低目前巴西旧断采取措施鼓励推动生物乙醇发展
国作发展中国源需求极源供极度重视发展生物乙醇国寻求源供元化重方式统计2007年国生物乙醇产量约133万吨（约44亿加仑）仅次美国巴西年国直鼓励生物乙醇发展计划2020年产量提升1000万吨（约33亿加仑）国传统农业国年农业秸秆产量十分丰富部分秸秆堆积焚烧形式浪费掉仅导致资源严重浪费带严重环境问题发展生物乙醇解决问题资源合理重复利时解决造成困扰环境污染问题意识问题2001年国中央政府投资50亿元吉林黑龙江河南安徽省建立4家型生物乙醇生产企业 2007 年投资广西兴建木薯原料生物乙醇生产企业外国出台系列政策鼓励生物乙醇发展包括免部分乙醇燃料消费税免部分生物乙醇生产税生物乙醇生产企业进行直接补贴等
112 生物乙醇生产原料发展现状
生物乙醇生产原料分四类：玉米薯类代表淀粉质原料生产出生物乙醇通常称第1代生物乙醇蜜糖蔗糖甜高粱等代表糖类原料生产出生物乙醇通常称第15代生物乙醇农作物秸秆蔗渣工厂纤维质角料代表纤维质原料生产出生物乙醇通常称第2代生物乙醇通养异养方式培养富含淀粉糖类微藻等微生物然中淀粉糖类生产生物乙醇该方法生产出生物乙醇通常称第3代生物乙醇
美国应广泛第类原料玉米味原料生产生物乙醇巴西绝部分生物乙醇甘蔗原料生产中国发展第1代第15代生物乙醇会消耗量粮食饲料等中国全球口国家少均粮食产量少粮食发展生物乙醇显然太符合国家基国情第3代生物乙醇发展目前研究中微藻类微生物培养需攻克难关中国秸秆产量丰富类纤维质物质浪费严重发展生物乙醇符合国目前国情第2代生物乙醇目前中国发展潜力适合国家发展战略
12 生物乙醇生产方法步骤
原料生产生物乙醇生产工艺方法着差异：
（1）淀粉质原料生物乙醇发酵工艺
原料处理 → 蒸料 → 糖化曲制备 → 糖化 → 酵母制备 → 乙醇发酵
→ 蒸馏 → 产品
（2） 糖质原料乙醇生物发酵工艺(糖蜜乙醇)
前处理 → 酵母制备 → 乙醇发酵 → 蒸馏 → 产品
（3） 纤维素原料生物乙醇发酵工艺水解发酵两步法时糖化发酵法（步
法）固定化细胞发酵法等基工艺程
催化剂 酵母
↓ ↓
纤维原料 → 预处理 → 水解 → 发酵 → 蒸馏 → 产品
实验研究纤维质原料生产生物乙醇文介绍纤维质原料生产生物乙醇基方法植物纤维原料制备生物乙醇核心步骤：原料预处理水解（糖化）发酵
121 原料预处理
植物秸秆部分组分植物细胞壁纤维素半纤维素木素含量十分丰富纤维素天然高分子化合物化学结构β—D—吡喃葡萄糖基彼14—β糖苷键链接成通式（CH2O）n 纤维素水（酶）解产生量葡萄糖半纤维素木糖少量阿拉伯糖半乳糖甘露糖组成成分五碳糖较易水解转变五碳糖木素具三维结构高分子化合物苯基丙烷结构通醚键碳碳键链接成木质素半纤维素果胶质等物质道填充物粘合剂形式存细胞微细纤维间阻碍水解纤维素重物质纤维素半纤维素木素植物细胞壁三重组成部分球丰富廉价生生物质原料资源实验研究原料黄豆秸秆中纤维素占4316半纤维素占2307木素占1683抽出物占271抽出物防止抽出物影响实验效果更佳突出明显实验中预处理前通常会原料进行苯醇抽提处理
植物细胞壁结构特征纤维素骨架半纤维素木素填充物填充物纤维素水解起阻碍作原料预处理制备生物乙醇工业化生产关键步骤目粉碎木质素半纤维素纤维素结构保护瓦解纤维素身晶体结构阻碍水解糖化发酵生物质结构纤维素水解酶够充分接触达良水解效果续发酵更进行预处理否合适续进行水解发酵工艺意义重预处理适水解时需酶品种量选择空间较效降低生产成时提高原料利率
工业评价预处理方法效性标准：1进行预处理前否须原料进行粉碎处理2否保留半纤维素中戊糖结构3否效限制发酵程具抑制作物质产生4源消耗少目前常预处理方法分物理法化学法生物法种方法联技术中物理法预处理技术包括蒸汽爆破机械破碎微波超声波等处理方法通预处理方法处理原料效改变天然纤维素结构化学法预处理技术包括酸碱臭氧机溶剂预处理效破坏纤维素晶体结构破木质素半纤维素纤维素间连接生物法预处理技术利降解木质纤维素类物质微生物产生生物酶降解木质素溶解半纤维素然述方法目前技术层面济效益方面种生物质原料生物乙醇规模生产国研究者通研究发现预处理方法存利弊针种类木质纤维素类原料物质提出预处理方法分介绍物理法化学法生物法预处理种方法联合预处理基情况
（1） 物理法
物理法蒸汽爆破法机械破碎微波超声波处理等蒸汽爆破法木质纤维素类生物质高压水蒸汽中短时间加热然快速释放压力气压原料历爆发性减压程该程导致纤维结构膨化破坏利促进游酶解环节机械破碎利机械直接纤维素类生物质原料进行处理原料结构破坏两种方法种类原料结果差异较微波处理时原料般浸泡较稀化学试剂中然利微波处理段时间研究发现利微波处理原料时适宜浸泡试剂氢氧化钠稀溶液Binod等利微波辅助进行甘蔗渣预处理450W条件微波碱处理5 min质量分数约90％木质素通X衍射扫描电镜傅里叶变换红外光谱检测证实微波处理效提高发酵糖产率超声波法关超声波预处理木质纤维素类物质相关研究较少已研究表明原料超声波处理纤维素糖化程度明显提高超声波预处理提高酶水解产率超声波处理带气室效应极促进酶分子原料基质表面运动气室破碎提供利酶促反应环境条件
（2） 化学法
化学法酸碱预处理机溶剂预处理
酸法预处理19世纪法国化学家Braconnot首先提出浓酸处理方法浓酸会腐蚀实验设备难回收纤维素水解转化糖时部分糖会进步反应成糠醛等副产物副产物会续发酵程产生抑制作年部分研究者高温低酸浓稀酸加催化预处理方法进行量研究高温低酸浓处理时半纤维素发生降解升高温度保证处理效果时降低酸量降低生产成效破坏木质素结构需较高温度(160℃220℃)设备较高求耗较高外产生抑制物会明显增加中低温度进行预处理达较高酶解转化率通加入催化剂方法加催化剂稀酸处理方法效溶出木素片段木质素脱时助续酶解转化率稀酸水解程中会产生害副产品问题未效解决元英进等稻草秸秆原料研究乙醇加入浓度硫酸预处理酶解糖化效率影响结果显示葡聚糖受酸浓度乙醇影响木聚糖着酸浓度升高明显降低乙醇加入木质素着酸浓度升高显著降低说明木质素需通加酸催化化学键断裂乙醇效溶解木质素片段
碱法预处理碱法预处理NaOH预处理氨水预处理药品原料进行预处理该方法原理利碱性溶液够溶解木质素特性稀NaOH溶液氨水定条件处理生物质原料破坏木质素结构木质素溶出暴露出纤维素提高纤维素酶性助酶解程进行酸法预处理相碱法预处理般条件较温设备求酸法预处理低木素脱率较高碱半纤维素降解作强导致碱法预处理程中50半纤维素降解溶出导致半纤维素纤维素损失较外碱法预处理产生副产物影响纤维素酶活性未碱法预处理研究方应该保证纤维含量条件达较脱木素效果减少副产物产生者掉预处理程中产生利副产物
机溶剂预处理机溶剂预处理采机溶剂水溶液木质纤维素原料进行预处理增强实验预处理效果时会加入适催化剂机溶剂预处理脱木质素降解半纤维素原料孔隙率表积增加增纤维素酶纤维素接触积
乙醇预处理目前研究较机溶剂预处理方法乙醇具挥发性低毒易回收利特点目前乙醇作溶剂处理木质纤维素原料研究较催化乙醇处理法酸催化乙醇处理法催化乙醇处理法通常指乙醇外添加化学药品作催化剂赖预处理程中释放机酸(乙酸)提供需酸度乙醇预处理法反应温度通常180℃210℃间酸催化乙醇预处理法指体系中直接添加机酸机酸作催化剂促进脱木素作半纤维素水解加入酸性催化剂降低反应温度压力
稀酸预处理相机溶剂预处理程中脱部分木素稀酸预处理然降解部分半纤维素部分木素残留原料中会酶解程中吸附纤维素酶导致效酶浓度降降低酶解转化率传统稀酸预处理相机溶剂预处理较优势方法文实验研究程中分催化乙醇处理法酸催化乙醇处理法两种机溶剂预处理方法进行实验分析
（3） 生物法
生物法利生物酶者微生物直接处理原料目前微生物褐色白色腐真菌等真菌效降解木质素半纤维素特白腐真菌已研究证实针种类木质纤维素原料白腐真菌表现出高木质素作生物法预处理原料研究空间具污染环境成较低利续操作等优点生物法存着诸局限例预处理中续操作中特注意杂菌污染外处理需时间较长重复性较差
（4） 种方法联合预处理
种预处理方法利弊学者种方法联合技术进行相关分析Pang等利蒸汽爆破微波辐射联技术(SEM I)处理玉米芯原料结果中发现葡萄糖木糖酶水解产率效提高SEM I技术降低生物质原料纤维结晶度着显著作诸物理化学方法联技术利微波法处理时先化学试剂处理原料然进行微波处理利蒸汽爆破法处理时时通入二氧化硫等提高作效果利微生物处理原料时联合机溶剂法提升处理效果等种方法联合预处理着广泛研究空间作效果通方法结合效提升
122 水解
水解程破坏纤维素半纤维素分子结构转化发酵单糖目前水解工艺酸水解酶水解两种早期水解工艺利稀酸浓酸破坏纤维素晶体结构酸水解较容易产生较副产物回收处理较难增加工艺条件复杂性酸水解发展具局限性酶水解条件相较温程稳定商业酶溶液成已幅度降低较适促进生物乙醇商业化发展水解工艺纤维素葡萄糖基彼14β糖苷键连结成正纤维素结构简单性决定酶水解简单性
影响酶水解素酶水解温度酶溶液pH值水解底物特性温度pH值酶水解程影响作纤维素酶活性影响般说纤维素酶适温度范围4565℃适pH值4055外预处理木素程度半纤维素溶解度酶解影响木质素生物质原料中酶解作阻碍组成成分半纤维素纤维素结合紧密木素半纤维素越生物质中纤维素酶性越水解效果越纤维素晶体结构影响酶解效果重素破坏纤维素晶体结构破坏纤维素长链结构然研究表明晶体结构破坏终酶解产量没明显影响会提高酶解速率影响
123 发酵
木质纤维原料预处理酶水解酶解液中含葡萄糖木糖阿拉伯糖纤维素半纤维素降解物质水解液微生物发酵获乙醇分子机酸发酵工艺程2类：
(1) 分步水解发酵工艺程(separate Hydrolysis and FermentationSHF)特点纤维素需先反应器进行水解然容器中进行发酵程水解发酵程分开进行两程均实现佳工艺条件水解程中着容器水解产物葡萄糖等越越会纤维素酶活性产生抑制作水解效果太理想该方法传统生物乙醇制备工艺
(2)效解决水解产物葡萄糖等纤维素酶抑制作问题发展步糖化发酵程(simultaneous sacchairfication and FermentationSSF)SSF程特点酶水解乙醇发酵相结合反应容器中进行原料酶水解产物糖类生成会马进行发酵效降低容器水解产物浓度促进水解反应进行乙醇水解反应抑制作糖类相SHF程SSF程反应速率更快乙醇产率更高浓度更外程设备简单易操作优点该生产程限制条件酶水解发酵程佳工艺条件时达成终产率非定SHF
13 实验研究容意义
131 实验研究容
实验研究黄豆秸秆原料生产生物乙醇重环节研究机溶剂（乙醇）预处理黄豆秸秆佳工艺条件黄豆秸秆原料研究乙醇预处理中处理时间处理温度乙醇浓度预处理产葡萄糖影响先进行单子实验分找找三素适点中心点然中心点基础中心组合响应面法找出预处理产葡萄糖佳工艺条件时分分析条件变化预处理率酶解率葡萄糖产率影响程度
132 实验研究意义
全世界年量农业废弃物产生中中国年约7亿吨农业废弃物产生农业废弃物通常焚烧导致量纤维素资源浪费时导致严重空气污染符合国家发展战略求天然纤维原料结构相复杂酶解时纤维素酶系纤维素接触困难酶解难度需酶水解前进行必预处理改变天然纤维原料结构降低纤维结晶度脱木质素提高酶解效率文实验研究选取机溶剂（乙醇）黄豆秸秆进行预处理酶解糖化效果进行研究期寻找纤维素酶解转化葡萄糖等糖类物质佳预处理工艺条件促进产业化进程
预处理技术作木质纤维转化资源关键步骤科研工作者关注焦点传统化学处理机械处理技术等耗较程度存环境污染乙醇预处理反应程中化学药品催化剂赖乙醇预处理程中释放酸提供需酸度乙醇催化加入极少量稀酸溶液作催化剂外乙醇简易回收循环较解决减法废液污染问题
黄豆秸秆酶解糖化产糖转化生物乙醇重资源秸秆纤维素资源（农业废弃物）合理开发利转化类需资源仅资源合理化应避免环境污染够类然带更利益寻找酶解转化前预处理佳工艺条件秸秆资源实现合理产业化应重步
二．实验方法程
21 实验原料仪器准备
211 实验原料
实验原料：玉米秸秆 （山东某厂）
表21 化学试剂览表
药品名称
纯度级
生产厂家
苯
分析纯
国药集团化学试剂限公司
95乙醇
分析纯
国药集团化学试剂限公司
水乙醇
分析纯
国药集团化学试剂限公司
水醋酸钠
分析纯
国药集团化学试剂限公司
乙酸
分析纯
国药集团化学试剂限公司
浓硫酸
分析纯
国药集团化学试剂限公司
酶粉
分析纯
武汉中南生物酶制剂限公司
试剂外试验中实验室配制DNS溶液测定标准曲线Y06916X00237
212 实验设备仪器
表22 实验设备览表
型号
名称
生产厂家
FZ102
微型植物粉碎机
天津市泰斯特仪器限公司
360
傅里叶红外光谱仪
美国Thermo Nicolet公司
9060
锈钢电热蒸馏水器
海市博讯事业限公司医疗设备厂
KQC
玻璃仪器气流烘干器
巩义市予华仪器限责公司
AL 204
电子分析天
梅特勒托利仪器（海）限公司
DF101S
集热式加热磁力搅拌器
郑州长城科工贸限公司
SHZD(Ⅲ)
循环水式真空泵
巩义市予华仪器限责公司
ZHWY2112B
恒温培养振荡器
海市智诚分析仪器限公司
UV2550
紫外见分光光度计
日SHIMADZU公司
外真空干燥箱热风烘箱13ml钢罐电炉液枪等
玻璃仪器：
索氏提取器500ml50ml烧杯250ml50ml10ml容量瓶25ml三角瓶G2砂芯漏斗G2砂芯坩埚250ml抽滤瓶100ml25ml量筒25ml色10ml2ml1ml移液玻璃棒等
22 实验步骤
221 原料准备
（1） 取定量黄豆秸秆中枯叶黄豆秸秆型粉碎机粉碎
（2） 40目60目网筛步粉末进行筛选4060目秸秆粉末测定水分计算300g绝干需量筛选出足够量备
（3） 原料进行苯醇抽提处理处理风干放入真空干燥箱备
222 操作步骤
（1） 单素法寻找中心点：
①．取绝干样品1g处理液10ml（硫酸浓度05）钢罐分控制保温时间（30min60min90min）处理温度（140℃150℃160℃）预处理液乙醇浓度（25％50％75％）单素变量进行预处理
②．处理样品放置冰箱24h测定水分计算出蒸煮预处理率
③．酶解糖化处理取预处理样品绝干025g25ml三角瓶加入事先配酶液25ml放置恒温培养振荡器中50℃条件振荡处理72h
④．取糖化处理液稀释相应倍数取15ml稀释液加入2mlDNS溶液沸水处理10min溶液稀释25ml
⑤．述溶液进行紫外检测测定540nm吸收值计算出糖含量酶解率
⑥．结合预处理率酶解率相应预处理条件葡萄糖产率
⑦．分析糖产率数分适合预处理保温时间处理温度乙醇浓度中心点①处理条件中未中心点分温度保温时间乙醇浓度变化趋势补进处理条件重复述程直找中心点
（2） 中心组合响应面法寻找适预处理条件
①（1）中中心点基础确定出中心组合响应面法预处理条件
②．中心组合条件组预处理条件进行蒸煮预处理
③．处理样品进行步骤（1）中②⑥处理终数
④．分析数软件STATISTICA温度保温时间乙醇浓度三选二XY轴蒸煮率酶解率葡萄糖产率三选Z轴作XYZ3D图适处理条件Minitab软件分析p值确定素实验结果影响情况
（3）．原料中心点预处理样品进行红外检测较分析结构变化
三．分析讨
31 原料结构分析
试验原料黄豆秸秆属禾科植物原料检测组成表
表31 黄豆秸秆原料成分表
综纤维素
纤维素
木素
抽出物
灰分
总
黄豆秸秆
6623
4316
1683
271
271
8848
原料进行红外检测谱图放34节中中心点处红外谱图分析
32 单素实验预处理条件优化
查阅相关文献资料考虑实际操作情况实验选酸催化乙醇预处理通前期实验较实验中采取05硫酸作催化剂固液选110分控制单素变量找出预处理温度保温时间乙醇浓度佳值
321 乙醇浓度预处理影响
预处理时乙醇浓度预处理结果会实验考察255075乙醇浓度处理原料预处理酶解效果影响预处理条件处理温度150℃保温时间60min
表32 乙醇浓度预处理黄豆秸秆项产率表
温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mgmg原料
150
60
25
7368
4878
3594
150
60
50
7017
5315
3730
150
60
75
4842
7188
3480
表中出乙醇浓度越高蒸煮率变少酶解率升高乙醇浓度越高反应条件越剧烈木素脱越蒸煮率越低酶解时酶纤维素性越高酶解率越高综合二者50乙醇浓度时葡萄糖产率综合考虑50乙醇浓度时较适合预处理乙醇浓度
322 保温时间预处理影响
通查阅资料知预处理保温时间预处理结果酶解结果定影响实验考察保温306090120min预处理实验结果影响预处理条件150℃乙醇浓度50
表33 保温时间预处理黄豆秸秆项产率表
温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mg100mg原料
150
30
50
7031
5183
3644
150
60
50
7017
5315
3730
150
90
50
6533
5868
3833
150
120
50
5141
7138
3670
表难出控制保温时间单变量时保温时间越长蒸煮率越低酶解率越高表明保温时间越长预处理时木素脱越彻底纤维素半纤维素降解水越高酶解处理时酶纤维素性越高酶解率越高综合二者知保温90min时葡萄糖产率高综合考虑知90min时预处理时较理想保温时间
323 温度预处理影响
温度影响预处理重素实验中根查阅参考文献实际操作条件结合前面实验研究140180℃五温度预处理实验结果影响余预处理条件保温时间90min乙醇浓度50预处理结果酶解结果糖产率表
表34 温度预处理黄豆秸秆项产率表
温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mg100mg原料
140
90
50
6841
5096
3486
150
90
50
6533
5868
3833
160
90
50
5851
7053
4127
170
90
50
5362
7932
4253
180
90
50
4861
7663
3725
表出170℃预处理终葡萄糖产率高表显示温度越高预处理率越低酶解率越高说明着预处理条件变剧烈木素脱越纤维素半纤维素降解越蒸煮率降酶解糖化程中纤维素降解葡萄糖产率增综二者出170℃葡萄糖产率综合考虑170℃较理想预处理温度
3节知预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50葡萄糖率高较合适预处理条件实验中选取该条件中心点该中心点基础进行步中心组合响应面实验寻找终适预处理条件实验寻找佳预处理工艺条件
33 中心组合实验结果分析
实验中心点根前面单素实验设计三素三水中心组合实验进步优化预处理工艺条件
表35 中心组合实验中素水
条件素
单位
1
0
+1
预处理温度
℃
160
170
180
保温时间
min
30
90
150
乙醇浓度
25
50
75
确定中心组合实验预处理条件进行实验蒸煮率酶解率葡萄糖产率表
表36 中心组合实验中操作条件
编号
素操作条件
实验结果
处理温度℃
保温时间min
乙醇浓度
蒸煮率
酶解率
葡萄糖产率mg100mg原料
1
160
30
25
6806
473
3219
2
160
150
25
6511
526
3425
3
160
30
50
6676
5125
3422
4
160
90
50
5851
7053
4127
5
160
150
50
5742
688
375
6
170
90
25
5754
6019
3463
7
170
90
75
4813
7563
364
8
170
30
50
5768
6841
3941
9
170
90
50
5362
7932
4253
10
170
150
50
5163
7789
4021
11
180
30
25
5632
6531
3678
12
180
150
25
5466
7432
4062
13
180
30
50
5016
7683
3853
14
180
90
50
4861
7663
3725
15
180
150
50
4818
7812
3764
331 蒸煮率变量响应分析
确定条件相预处理温度保温时间乙醇浓度表36确定值进行实验实验结果STATISTICA软件蒸煮率响应值预处理温度保温时间乙醇浓度变量做出响应面图图31
a b
C
图31STATISTICA软件拟合素蒸煮率影响a：保温时间乙醇浓度变量蒸煮率响应面b：乙醇浓度处理温度变量蒸煮率响应面c：保温时间处理温度变量蒸煮率响应面
图中出着反应条件加剧蒸煮率越越低说明着条件加剧黄豆原料中木素脱越彻底纤维素半纤维素降解越蒸煮率预处理条件数软件Minitab 15进行分析蒸煮率关处理温度p值0002＜0005表明处理温度蒸煮率影响蒸煮率关保温时间p值0292表明保温时间蒸煮率定影响蒸煮率关乙醇浓度p值0133表明乙醇浓度蒸煮率较影响三者中蒸煮率影响预处理温度影响保温时间
332 酶解率变量响应分析
实验结果STATISTICA软件酶解率响应值处理温度保温时间乙醇浓度变量做响应面图图32
d e
f
图32 STATISTICA软件拟合素酶解率影响d：保温时间乙醇浓度变量酶解率响应面e：乙醇浓度处理温度变量酶解率响应面f：保温时间处理温度变量酶解率响应面
图中容易出着反应条件加剧酶解率越越高说明着条件加剧黄豆原料中木素脱越彻底糖化时纤维素酶纤维素性变纤维素转化葡萄糖转化率增酶解率增长速度着预处理条件越越剧烈逐步变缓预处理条件定值酶解率升非值升
酶解率预处理条件数软件Minitab 15进行分析酶解率关处理温度p值0019表明处理温度蒸煮率影响蒸煮率关保温时间p值0092表明保温时间蒸煮率较影响蒸煮率关乙醇浓度p值0265表明乙醇浓度蒸煮率定影响前两者三者中酶解率影响预处理温度影响乙醇浓度
333 葡萄糖产率变量响应分析
实验结果STATISTICA软件葡萄糖产率响应值处理温度保温时间乙醇浓度变量做响应面图图33
g h
i
图33 STATISTICA软件拟合素酶解率影响g：保温时间乙醇浓度变量葡萄糖产率响应面h：乙醇浓度处理温度变量葡萄糖产率响应面i：保温时间处理温度变量葡萄糖产率响应面
图中容易出葡萄糖产率处理温度保温时间乙醇浓度变化时响应面均凸出球面部分说明变量变化葡萄糖产率会出现高点结合ghi三图容易处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50时葡萄糖产率达高点中心点时葡萄糖产率达高
葡萄糖产率预处理条件数软件Minitab 15进行分析葡萄糖产率关处理温度p值0306表明处理温度蒸煮率影响较蒸煮率关保温时间p值0186表明保温时间蒸煮率定影响蒸煮率关乙醇浓度p值0485表明乙醇浓度蒸煮率影响较三者中葡萄糖产率影响预处理保温时间影响乙醇浓度三者终葡萄糖产率影响特葡萄糖产率蒸煮率酶解率决定影响蒸煮率酶解率均预处理温度
34 中心点红外检测分析
实验中黄豆原料中心点预处理样品进行红外检测红外图
图34 黄豆原料中心点预处理样品红外图
表37预处理前样品红外光谱官团属
波数cm1
峰属
黄豆原料
中心点预处理样品
292276
292209
甲基亚甲基次甲基
173641
174295
芳香环非轭羧酸酯酯
162783
163165
侧链αβ碳原子轭双键
150879
150845
芳香环
138378
138415
芳香核（OH）
132152
紫丁香核
124787
124621
愈创木核甲氧基
105631
105931
芳香核（G）
图34表37查阅相关参考资料容易出2922cm1处甲基亚甲基次甲基吸收峰1735cm1处芳香环非轭羧酸酯酯吸收峰1508cm1处芳香环吸收峰苯环特征吸收峰1383cm1处芳香核（OH）吸收峰1321cm1紫丁香核吸收峰1250cm1处愈创木核甲氧基吸收峰1056cm1处G型芳香核吸收峰842cm1处羟苯基振荡吸收峰H型木素结构单元特征吸收峰黄豆原料红外图中明显显示吸收峰证明黄豆秸秆中存着量GSH型木素结构单元查阅资料知针叶木阔叶木成分分析显示均含少量羟苯甲基木素结构单元实验中原料检测显示时含量愈疮木基紫丁香基羟苯基结构证明黄豆原料禾科
两红外图发现中心点条件预处理样品红外吸收峰相原料图明显削弱特芳香环芳香核吸收峰明显削弱1508cm11383cm11321cm11056cm1842cm1吸收峰处原料中明显吸收峰中心点条件预处理峰值减弱波长处甚检测峰说明预处理程中木质素结构量纤维素酶纤维素结构性增加酶解糖化创造条件
四．结
（1） 通单素实验预处理中心点预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50通中心组合实验做出响应面进步验证佳预处理条件预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50机溶剂预处理黄豆秸秆佳工艺条件预处理温度170℃保温时间90min乙醇浓度50
（2） 通预处理蒸煮率酶解率数分析知道反应条件加剧蒸煮率越越低预处理温度保温时间乙醇浓度三者蒸煮影响预处理温度反应条件加剧酶解率升升幅度逐步变缓预处理温度保温时间乙醇浓度三者酶解影响预处理温度
（3） 通原料中心点预处理样品红外检测分析木质素特征吸收波段进步证实黄豆原料禾科木素结构特征吸收峰预处理明显减弱证实预处理程中木素量脱酶解提供极便利
致谢
着学生活接尾声学项务毕业文完成感谢帮助感谢毕业文实验文完成中予帮助
首先感谢导师XX老师研究学位文姚老师亲切关怀悉心指导完成严肃科学态度严谨治学精神精益求精工作作风深深感染激励着课题选择项目终完成姚老师始终予细心指导懈支持谨姚老师致诚挚谢意崇高敬意次非常感谢XX师兄实验程中红外紫外操作数分析等方面予悉心指导支持时感谢生活予关心时感谢组学实验程中予帮助感谢夕相处室友予关心支持
感谢家年培养支持微关怀利完成毕业实验文整学学业生涯力思想动力感谢
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