2011屆本科畢業論文論文題目：不同預處理后玉米秸稈堿法水解條件優化研究學生姓名：***所在院（系）：生命科技學院所學專業：生物工程導師姓名：***完成時間：2011年5月20日不同預處理后玉米秸稈堿法水解條件優化研究（生命科技學院生物工程系073班）摘要我國含有豐富的玉米秸稈資源，玉米秸稈需經預處理后才能被高效水解。本文采用原秸稈粉碎60目、超細200目、膨化粉碎60目和膨化超細400目四種不同預處理后的玉米秸稈為材料，在一定的固液比，溫度，堿濃度，處理時間條件下，以可溶性糖含量為指標，做堿法水解實驗，結果顯示：固液比為1：17,NaOH濃度為2.5%，水解溫度為110C，水解時間為60min時水解液可溶性糖含量最大，達12.1%。關鍵詞：玉米秸桿，預處理，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試驗材料與儀器 6\o"CurrentDocument"試驗材料 6\o"CurrentDocument"儀器 6方法步驟 6不同預處理玉米秸稈堿水解試驗 6\o"CurrentDocument"粉碎60目玉米秸稈堿水解試驗 7\o"CurrentDocument"超細200目玉米秸稈堿水解試驗 7\o"CurrentDocument"膨化粉碎60目玉米秸稈堿水解試驗 7\o"CurrentDocument"膨化超細400目玉米秸稈堿水解試驗 7\o"CurrentDocument"2.2可溶性糖含量測定 72.3最適預處理方法確定 7最適預處理玉米秸稈堿水解單因素試驗 7\o"CurrentDocument"最適預處理玉米秸稈堿水解時間確定 7\o"CurrentDocument"最適預處理玉米秸稈堿水解溫度確定 8\o"CurrentDocument"最適預處理玉米秸稈堿水解堿濃度確定 8\o"CurrentDocument"最適預處理玉米秸稈堿水解固液比確定 8\o"CurrentDocument"2.5最適預處理玉米秸稈堿水解的正交設計 8結果與分析 8\o"CurrentDocument"最適預處理玉米秸稈方法確定 8超細200目玉米秸稈堿水解的單因素試驗結果 9\o"CurrentDocument"水解溫度的影響 9\o"CurrentDocument"水解時間的影響 9\o"CurrentDocument"NaOH濃度的影響 10\o"CurrentDocument"固液比的影響 10\o"CurrentDocument"超細200目玉米秸稈堿水解的正交優化 11\o"CurrentDocument"3討論 12\o"CurrentDocument"參考文獻 12\o"CurrentDocument"致謝 13不同預處理后玉米秸稈堿法水解條件優化研究***（生命科技學院生物工程系073班）引言我國是世界上秸稈資源最為豐富的國家之一。農作物秸稈是糧食作物和經濟作物生產中的副產物，含有豐富的有機質，因此是一種可供開發和綜合利用的寶貴資源。據統計，我國各種農作物秸稈年產量約7.9億噸，占世界作物秸稈總產量的20.96?30%，可獲得量為3.9億噸?4.2億噸⑴。其中，玉米秸稈年產量達3.6億噸，占農作物秸稈總量的40％。我國秸稈循環再利用的途徑與方法是多年來備受關注的一大技術問題。近些年，隨著作物生產水平和復種指數的提高以及農村經濟狀況、農民生活質量的改善，秸稈的絕對過剩現象更加突出，農民不再把農作物秸稈作為生活主要燃料，造成大量的農作物秸稈被廢棄在田間地頭，甚至在農田中一把火焚燒［2］，造成嚴重的環境污染，秸稈焚燒帶來的環境污染、人身傷害、交通隱患、資源浪費等現象更加嚴重。雖然有些地方的秸稈被用來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，或就地點火焚燒，浪費和污染現象十分嚴重。因此，開展秸稈的高效能源化轉化利用已經成為亟待解決的涉及農業、能源和環境保護的重要問題。合理高效地利用秸稈對保障國家能源安全，實現國民經濟的可持續發展，以及保護大氣環境都具有十分重要的意義。全國每年作物秸稈的產量達7億噸，其中玉米秸的面積、產量最大，利用潛力也最大。隨著農業生產方式的不斷進步，農業生產水平的逐步提高和思想觀念的轉變，秸稈很少再用于燒飯、漚肥，利用秸稈還田、副業加工少于5%，用作飼料（青儲、直接飼喂）的數量不到5%，農村出現大量的秸稈積壓閑臵，大量焚燒的現象，不僅對環境造成嚴重污染，而且也對資源造成了巨大的浪費。當前，我國的秸稈處理技術已有了新的發展，有一批新的成熟技術正在示范和推廣之中。這些技術有的是對傳統的處理方法進行技術改造，有的則是尋找新思路和新措施。目前農作物秸稈綜合利用的途徑主要有：機械化秸稈還田［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發展的重大問題，因此以秸稈為原料生產燃料乙醇在近年來引起人們廣泛的關注［13］。但在以秸桿為原料生產燃料乙醇的過程中，最大的問題是原料的預處理。預處理的主要作用是改變秸桿的主要成分天然纖維的結構，脫去木質素，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。目前預處理的方法主要有生物、化學、物理和氨冷凍爆破法［14-1，6］但預處理效果不理想，且對生產設備的腐蝕、磨損和耗能較嚴重，因此開發高效、低成本的預處理方法成為急需解決的技術問題。本研究分別以原秸稈粉碎60目、超細200目、膨化60目和膨化超細400目四種不同預處理的玉米秸稈為原材料，采用物理與化學相結合的方法，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、時間、NaOH濃度和固液比四種因素條件下水解玉米秸稈所產可溶性糖含量，并確定了水解溫度、時間、NaOH濃度和固液比四種因素最佳水解條件。試驗材料與儀器試驗材料原秸稈粉碎60目，超細200目，膨化粉碎60目，膨化超細400目玉米秸稈均采自新鄉市紅旗區鹽酸質量分數為（37.2%）鄭州尼派化學試劑廠氫氧化鈉（分析純）天津市東麗區天大化學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（FZ102型）北京中興偉業儀器有限公司糖度計，三角瓶，量筒（100ml）,小漏斗，燒杯，容量瓶（100ml）方法步驟不同預處理玉米秸稈堿水解試驗表1各試驗因素梯度表因素水解時間/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根據表1,將粉碎60目的玉米秸稈在水解時間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個梯度進行組合試驗，計34=81組合。測定每種組合的水解液可溶性糖含量。超細200目玉米秸稈堿水解試驗根據表1，將超細200目的玉米秸稈在水解時間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個梯度進行組合試驗,計34=81組合。測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根據表1,將膨化粉碎60目的玉米秸稈在水解時間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個梯度進行組合試驗，計34=81組合。測定每種組合的水解液可溶性糖含量。膨化超細400目玉米秸稈堿水解試驗根據表1，將膨化超細400目的玉米秸稈在水解時間、水解溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的三個梯度進行組合試驗,計34=81組合。測定每種組合的水解液可溶性糖含量。可溶性糖含量測定用濾紙對堿水解后的不同預處理玉米秸稈的水解液進行過濾，而后再用濃鹽酸將水解液的PH調至中性，用糖度計測其水解液可溶性糖含量。最適預處理方法確定根據以上不同預處理玉米秸稈堿水解試驗后可溶性糖含量的高低，確定玉米秸稈最適的預處理方法。最適預處理玉米秸稈堿水解單因素試驗最適預處理玉米秸稈堿水解時間確定根據方法步驟2.1，稱取最適預處理玉米秸稈5.0g，取30min、60min、90min、120min、150min五種時間段，而水解溫度、NaOH濃度、固液比三因素按可溶性糖含量最高時的處理組合不變，進行試驗。最適預處理玉米秸稈堿水解溫度確定根據方法步驟2.1,稱取最適預處理玉米秸稈5.0g,取105€、110€、115°C.120€、125C五種溫度，而水解時間、NaOH濃度、固液比三因素按可溶性糖含量最高時的處理組合不變,進行試驗。最適預處理玉米秸稈堿水解堿濃度確定根據方法步驟2.1，稱取最適預處理玉米秸稈5.0g,分別加入1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%五種濃度的NaOH，而水解時間、溫度、固液比三因素按可溶性糖含量最高時的處理組合不變，進行試驗。最適預處理玉米秸稈堿水解固液比確定根據方法步驟2.1,稱取最適預處理玉米秸稈5.0g,以1:14、1:17、1:20、1:23和1:26五種固液比，而水解時間、溫度、NaOH濃度三因素按可溶性糖含量最高時的處理組合不變,進行試驗。2.5最適預處理玉米秸稈堿水解的正交設計根據單因素試驗結果,在一定范圍內對最適預處理玉米秸稈堿水解時間、水解溫度、NaOH濃度、固液比四種因素設計適當正交方案,并對該方案做正交試驗優化。結果與分析最適預處理玉米秸稈方法確定原秸稈粉碎60目、超細200目、膨化60目和膨化超細400目四種不同預處理的玉米秸稈,經水解時間、溫度、NaOH濃度和固液比四種因素的所有組合水解試驗,最高可溶性糖含量如表2。表2試驗組合及對應糖含量預處理粉碎60目超細200目膨化粉碎60目膨化超細400目水解時間/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200目、膨化60目和膨化超細

400目四種不同預處理的玉米秸稈，可溶性糖含量超細200目〉粉碎60目〉膨化粉碎60目〉膨化超細400目。即超細200目預處理玉米秸稈在水解時間為90min,溫度為115C,NaOH濃度為2.0%，固液比為1:20時，水解液中的可溶性糖含量最高為11.3%。因此，超細200目預處理玉米秸稈為最適。超細200目玉米秸稈堿水解的單因素試驗結果水解溫度的影響在水解時間、固液比、NaOH濃度不變的條件下，水解溫度不同時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。這可能是因為水解溫度越高，越利于纖維素的糖苷鍵斷裂，越利于水解過程的進行，化學反應越充分，但在115C以后，可溶性糖產量有所下降，這可能是因為隨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。水解時間的影響在水解溫度、固液比、NaOH濃度不變的條件下，水解時間不同時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%時間/min圖2水解時間的影響由圖2可以看出，在水解過程的前90min,隨著堿水解時間增加，可溶性糖的產量提高，120min以后，可溶性糖產量有下降趨勢。這可能是因為處理時間的增加會導致纖維素水解后生非可溶性糖類物質，所以采用適宜的水解時間也可以減少能量的消耗和副反應的發生。NaOH濃度的影響在水解時間、固液比、水解溫度不變的條件下，NaOH濃度不同時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，可見在相對較低濃度NaOH的條件下玉米秸稈中的纖維素和木質素就可以充分水解。采用較低濃度的NaOH不僅可以降低預處理成本，還能減少后續微生物發酵過程中剩余堿的費用。固液比的影響在水解溫度、NaOH濃度、水解時間不變的條件下，固液比不同時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，可溶性糖產量下降。這是因為隨著固液比的減小，反應體系中的含水量太高，從而影響水解反應的充分進行。但固液比太大，反應體系中玉米秸稈與稀NaOH不能夠充分的接觸，亦影響反應的進行。因此在試驗過程中應綜合考慮各種因素來確定適宜的固液比。超細200目玉米秸稈堿水解的正交優化根據以上單因素試驗結果，在最適宜的范圍內為每個因素選取三個水平，采用L（34）正交表對這些因素進行正交試驗，考察各因素之間的相互作用。試9驗因素和水平見表3，試驗結果和分析見表4。表3正交試驗因素水平試驗因素水解時間/min水解溫度/°CNaOH濃度/%固液比g/ml1601101.51:172901152.01:2031201202.51:23表4正交試驗結果分析ABCD可溶性糖產量/%序號水解時間水解溫度NaOH濃度固液比試驗111117.3試驗212226.5試驗313338.7試驗4212310.1試驗522318.1試驗623127.2試驗731326.8試驗832137.1試驗933218.8K17.508.077.28.06K28.407.238.476.83K37.568.237.878.63R0.901.001.271.80由表4通過極差分析可知，R>R>R>R，可見水解時間對玉米秸稈堿水解DCBA結果的影響不顯著，而NaOH濃度和固液比對玉米秸稈堿水解結果的影響較為顯著，所以，對玉米秸稈堿水解可以采取較短的水解時間。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，水解時間為60min時可溶性糖產量最高，達12.1%。3討論通過本試驗，我們對原秸稈粉碎60目、超細200目、膨化60目和膨化超細400目四種不同預處理的玉米秸稈，以溫度、堿濃度、水解時間、固液比為參數進行玉米秸稈堿水解最佳條件探究，得出NaOH水解超細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，水解液可溶性糖產量最高，達12.1%。并且在此條件下能有效地節約能源，減少副產物的產生。參考文獻張源泉，孫風英，關鳳梅等．玉米秸稈稀硫酸預處理條件的初步研究[J].纖維素科學與技術，2002，10(2)：32-36韓魯佳，閆巧娟，劉向陽等.中國農作物秸稈資源及其利用現狀[J].農業工程學報，2002，18(3)：87-91朱圣權，張衍林，張文倩，張俊峰.厭氧干發酵技術研究進展[J].可再生能源，2009，2(3)：27-31葉小梅，常志州.有機固體廢物干法厭氧發酵技術研究綜述[J].生態與農村環境學報，2008，1(3)：24-27楊興，張