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在我国,农林废弃物资源的有效利用对于解决我国“三农”问题,具有深远的意义。我国是糠醛生产大国,其生产中由农副产品如玉米芯、植物纤维原料等经水解生产并副产的大量糠醛渣是生物质废弃物。糠醛渣因其具有半纤维素含量低易于水解和成本低廉等特点,成为了最有发展前景的制备可发酵糖的原料之一。随着生物质能源转化研究的开展,利用这类成本低廉、来源广泛、可再生的生物质转化过程中的副产物进行再度转化利用具有重要的现实意义。
本研究以糠醛渣为主要原料,以各组分含量变化和水解液中还原糖产率为衡量指标,通过化学预处理以及化学-物理预处理的方法,对其不同的预处理工艺和水解工艺进行了初步的研究。本论文研究的主要内容归纳如下:
1、以糠醛渣为主要的原料,在室温下,采用水洗处理和碱预处理。通过范式洗涤法的测定,水洗处理后糠醛渣中纤维素含量增加了11.24%,但木质素含量较高。而通过碱预处理,表明:固液比为1:10下,用5%NaOH与其反应时间24h,处理后糠醛渣中各组分含量发生明显,纤维素含量增加,木质素含量下降。同时采用稀酸水解进一步证明,碱法预处理后还原糖产率达到了53.73%,而水性预处理还原糖产率只有23.01%。
2、采用碱/过氧化氢联合预处理糠醛渣,表明:用5% NaOH/2.5% H2O2的预处理液在固液比1:12条件下反应48h,木质素的去除率达到了96%。同时采用稀酸水解证明,该种预处理模式下还原糖产率达到66.62%,高于碱法预处理。
3、采用物理-化学联合预处理,在碱法预处理的基础上分别辅助微波、超声波作用。结果表明:碱/超声波预处理在水浴温度为55℃下,用90W的功率超声8h,糠醛渣中纤维素的含量达74.03%,木质素去除率为94.11%,半纤维素的去除率为91.75%;碱/微波预处理在中火约729W,处理8min,糠醛渣中纤维素含量达72.28%,木质素去除率为94.17%,半纤维素的去除率为92.09%。相比较仅碱法预处理,该种联合预处理方法处理效果明显略好。同时当采用稀酸水解证明是,碱/超声波预处理后还原糖产率达63.96%,碱/微波预处理后还原糖产率达60.03%,均比同条件下碱法预处理产率升高。
4、在实验室已经开发的碳基固体酸催化剂的基础上,结合上述四种不同的预处理,考察固体酸催化剂对糠醛渣的催化水解效果。结果表明:在相同的条件下,同一种固体酸催化剂下催化水解四种不同预处理方法下的糠醛渣,催化水解后还原糖产率为碱/过氧化氢>碱/微波>碱/超声波>碱法>水洗;比较两种不同的固体酸催化剂催化水解时,水解产率普遍低于稀酸,而且酸值较高的固体酸催化剂水解率高于酸值相对较低的固体酸催化剂。
5、采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)和X-射线衍射仪(XRD)对四种不同与处理后的糠醛渣的形态结构,物理特性及化学组成的变化进行了分析。研究结果表明,预处理后的糠醛渣结构变得疏松,出现小孔和裂缝,结构受到破坏。红外光谱图分析表明,不同的预处理法师使糠醛渣吸收峰的强度发生变化。