专业综合设计 热水法提取半纤维在燃料乙醇的研究.docVIP

专业综合设计报告 （生物工程） 热水法提取半纤维在燃料乙醇的研究 实验名称：热水法提取半纤维在燃料乙醇的研究 内容与要求：半纤维素是生物质的重要组成成分，综合利用潜力大，可以将其转化为高附加值、多元化的产品。概述了半纤维素的提取技术及其综合利用研究进展，同时提出了对其综合利用的难点和解决建议。 任务及时间安排： 第一周：查阅相关资料，了解实验相关内容 第二周：分类、整理资料，制定实验计划 第三周：设计实验方案，准备实验材料 第四周：按照预定方案，进行实验 第五周：总结实验结果，撰写实验报告 指导教师： 日 期： 热水法提取半纤维在燃料乙醇的研究 1. 文献综述 随着我国经济的持续快速发展，对能源的需求也日益增加，而石油和天然气等常规能源的储量已日益减少，并且在其利用的过程中造成了严重的环境污染，寻找新的替代能源成为21世纪最为紧迫的任务。目前，我国在大力地开发生物质资源，而鉴于造纸工业的特点，可以将造纸工业与生物质精炼结合起来，这样做无疑可以使造纸企业得到多赢。例如：在传统的碱法制浆过程中，占木材原料质量约2O 的半纤维素会溶解而进入制浆黑液，这些黑液通常是通过碱回收系统被燃烧发电等。但其中半纤维素的热值比较低，如果将这些半纤维素转化为新的生物质产品如乙醇、聚合物等，则可以大大提高其附加值 。因此，在制浆造纸工业中可采取蒸煮之前预抽提的方式，将预抽提出来的半纤维素通过多种方式进行综合利用。 1 半纤维素提取 传统化学法制浆一般是直接处理原料，原料中的生物质尤其是半纤维素大部分进入制浆废液而被浪费掉，忽略了半纤维素作为生物质资源的潜在价值。例如：半纤维素可以通过水解发酵生产燃料乙醇，也可以用作造纸助剂等。因此，可以考虑在制浆工段之前采用条件比较温和的预处理方法分离出纤维原料中的一部分半纤维素，然后将此半纤维素水解发酵制得乙醇或直接提取乙酸等化学品。尽管人们研究了多种预处理的方法，如生物法、化学法、物理法等，但是预处理的研究还有待进一步加强，因为现在的预处理方法成本缺乏优势，与化工燃料相比，优势不明显。 1．1 高温液态水预处理提取半纤维素 热抽提半纤维素的方法主要有两种，分别是微波辐射法和水蒸汽法。Alexandra[33等人研究了从大麦壳中抽提水溶性的半纤维素，研究表明，相对其他抽提方法而言，水蒸气抽提更具有潜力，因为水蒸气抽提工艺条件温和，使用化学品减少，从而降低了对环境的影响。相比碱法而言，这种抽提方法的优势在于，半纤维素的破坏程度小，无论是低聚阿拉伯基木聚糖，还是多聚阿拉伯基木聚糖，其乙酰基团没有受到破坏，从而保证了半纤维素的多种用途，比如通过化学改性，增加半纤维素的疏水性，开发新材料。Alexandra_4 等研究了在微波条件下用高温液态水提取半纤维素，研究发现提高温度可以提高半纤维素的提取率，但同时多聚糖的分子量变小，半纤维素受到破坏程度提高。 1．2 弱酸或弱碱提取半纤维素 半纤维素在酸性条件下容易降解，但是在弱酸介质条件下，只要控制好酸解温度、时间和浓度，不仅大部分半纤维素可以抽提出来，而且纤维素受到的影响不大，这为半纤维素的综合利用创造了有利条件。如在温和的温度条件下，Charles[5 等人用稀硫酸(约0．5 ～1．0 )有效地从玉米秆中抽提出并回收大部分半纤维素，回收的形式为可溶的糖类，如果采用氨水来控制预处理液的pH，同时加入少量Ca(OH) ，预处理效果更好，并且预处理条件也会更加温和。与上面的高温液态水处理相比，稀酸预处理提高了半纤维素的得率，但预处理的成本增加。曹邦威L6 等在对制浆造纸产业模式转变的思考中提出：在制浆前先从木片中抽提出半纤维素，再转化成乙醇和糖基聚合物。在碱法制浆前，先用温度100℃以上的碱液，将半纤维素从木片中抽提出来。形成杂有若干木素的聚合半纤维素溶液。预抽提除了能获得制取新生物产品的原料液外，还可减少碱耗、加快脱木素速率和降低黑液负荷。它对保持甚至增加纸浆得率也很重要。木材抽提液中的半纤维素提供了生产乙醇、糖基聚合物和化学品的原料。糖基聚合物将开发出可再生的生物合成材料，用以取代复合木材中使用的以石油为原料的树脂。 2 半纤维素综合利用 2．1 半纤维素水解发酵生产乙醇 在世界范围内，目前生产燃料乙醇的原料主要是粮食，如玉米等，但是我国人口众多，粮食的供给受到限制，一味地发展粮食乙醇很可能导致粮食危机，因此我国很有必要大力发展纤维素类的生物质乙醇，其中，半纤维素也是很好的选择。半纤维素生产乙醇的主要流程如图1所示。2002～2004年问，美国能源部研究了木质纤维素类资源的综合利用，首先用具有氧化性的碱液在逆流条件下连续洗涤木质纤维素，将纤维素、木素、半纤维素分离，其中半纤维素用来制备乙醇燃料或其他化合物。 2．2 半纤维素水解制备木糖醇和副产品糠醛、乙酸等 目前工业化生产