有机溶剂预处理黄豆秸秆的最佳工艺条件研究毕业论文.doc

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毕 业 论 文

题目 有机溶剂预处理黄豆秸秆的最佳工艺条件研究

姓 名 方雪威
所在学院 轻工学部制浆造纸工程学院
专业班级 11轻化（2）班
学 号 1110421214
指导教师 姚兰 讲师
日 期 2015 年 5 月 日

摘 要
随着全球经济的快速发展，能源问题日益突出，生物乙醇的发展越来越受重视。木质纤维预处理是生产生物乙醇的重要过程，目前预处理有酸、碱和有机溶剂预处理，其预处理的条件是确定预处理效果的重要因素。本文研究的就是有机溶剂预处理黄豆秸秆的最佳工艺条件。
本文实验中，利用红外仪分析原料发现其同时存在G、S、H型木素结构吸收峰，证明黄豆秸秆为禾本科。原料经过苯醇抽提后，利用单因素法对原料进行预处理，分别寻找到了预处理的最适合温度保温时间和乙醇浓度，即中心点，其值分别为170℃，90min和50%。然后以该中心点为基础用中心组合响应面法进行中心组合实验，利用软件STATISTICA进行响应面分析，得到最适合的处理条件正好为中心点，该条件下1g原料最终得到了425.3mg的葡萄糖。利用软件Minitab进行数据分析得到对蒸煮得率影响最大的是处理温度其p值分别为0.002为极大影响，对酶解得率影响最大的也是处理温度其p值为0.019为较大影响。通过对原料和中心点预处理后样品的红外分析进一步验证了预处理对木素的脱除情况。
关键词：生物乙醇；有机溶剂；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 G,S,H type lignin structure absorption through analysis of materials use infrared instrument.the materials has been proved to be Gramineae.Soybean straw has been benzene-alcohol extraction firestly, use the single-factor 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 point,and 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 point.Under the conditions 1g material is eventually got 425.3mg of glucose. Using the software Minitab for data analysis, the p value of the processing temperature to cooking yield is 0.002 ,so the processing temperature is the greast impact to cooking yield and the impact was maximum.The p value of the processing temperature to enzymatic hydrolysis yield is 0.019,so 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: bioethanol;organic solvent; pretreatment; central composite; glucose yield

I

目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
一．绪 论 1
1.1 生物乙醇的历史背景与发展现状 1
1.1.1 国内外生物乙醇发展现状 1
1.1.2 生物乙醇的生产原料发展现状 2
1.2 生物乙醇生产方法及步骤 2
1.2.1 原料预处理 3
1.2.2 水解 6
1.2.3 发酵 6
1.3 本实验的研究内容及意义 7
1.3.1 本实验研究内容 7
1.3.2 本实验研究意义 7
二．实验方法与过程 9
2.1 实验原料与仪器准备 9
2.1.1 实验原料 9
2.1.2 实验设备及仪器 9
2.2 实验步骤 10
2.2.1 原料准备 10
2.2.2 操作步骤 10
三．分析与讨论 11
3.1 原料结构分析 11
3.2 单因素实验预处理条件优化 11
3.2.1 乙醇浓度对预处理的影响 11
3.2.2 保温时间对预处理的影响 11
3.2.3 温度对预处理的影响 12
3.3 中心组合实验结果分析 13
3.3.1 蒸煮得率随变量响应分析 13
3.3.2 酶解得率随变量响应分析 15
3.3.3 葡萄糖产率随变量响应分析 16
3.4 中心点红外检测分析 17
四．结论 20
致谢 21
参考文献 22

III

一．绪 论
1.1 生物乙醇的历史背景与发展现状
1.1.1 国内外生物乙醇发展现状
目前，能源危机日趋严重，供应全球经济社会发展的主要能源石油的需求越来越大，而石油资源的储量越来越少。在此能源供应日渐紧张的局势下，全球各国都在努力寻求新的能源来替代或补充日渐稀少的石油。寻找可再生清洁能源成为世界发展的大趋势。而生物乙醇燃料正是因为其可再生性和清洁性受到很多国家的重视，关于生物乙醇的研究成为广大科技工作者的首选研究方向。
自上世纪70年代中期起，以美国、巴西为代表的国家开始发展生物乙醇计划，我国从90年代末期开始鼓励生物乙醇发展。目前生产生物乙醇的原料有玉米、马铃薯等淀粉原料，甘蔗等糖质原料，各类秸秆等纤维质原料。进入新世纪以来随着对利用玉米，甘蔗，大豆等为原料生产生物乙醇技术的成熟掌握，生物乙醇的产量得到了迅猛发展。有统计数据显示1975年全球生物乙醇产量仅为1.5亿加仑（1加仑=3.785升）2000年全球生物乙醇产量约为44亿加仑，到2007年该数据已增长至约131亿加仑。而2008年以来这一数据仍在高速增长。目前各国科技界依然致力于各类生物原料生产生物乙醇的工艺技术研究，不断开拓原料来源，优化生产工艺技术。
美国是目前生物乙醇产量最大和生产技术最为成熟的国家，2007年产量约为58亿加仑，全国近25%的玉米用于生产生物乙醇。 2007年1月美国提出的新 能源战略，计划到2012将生物乙醇产量提高到132亿加仑，到2017年产量达到350亿加仑。为促进本国生物乙醇的生产和使用 ，美国政府对生产生物乙醇生产使用采取了一系列的政策优惠和保护措施。包括对生物乙醇生产企业进行直接补贴；对进口生物乙醇进行加收关税；对生物乙醇小规模生产厂商实施税务减免措施。通过这一系列的鼓励措施和实施一些相关能源法案，生物乙醇在美国得到了大力发展。
巴西是全球第二大生物乙醇生产国也是全世界最早生产生物乙醇燃料的国家 。 早在2O世纪70年代，巴西就开始实施生物乙醇燃料计划，此后，由于国内消费和出口国外的需求，推动了巴西本国生物乙醇燃料产量的迅速增长。目前，巴西使用的生物乙醇及其他可替代可再生能源占到其能源消耗总量的44％。远高于世界平均水平。巴西是世界上第二大的生物乙醇生产国同时也是世界上最大 的生物乙醇的出口国。2008年巴西国内生物乙醇产量为64.72亿加仑，占世界总产量的37．3％。 2007年,巴西乙醇燃料的总出口量为9．3亿加仑，约占巴西总产量的18％，占全世界总出口量的50％。在巴西，几乎所有的生物乙醇都是用甘蔗生产。经过30多年的不断发展 ，巴西已经掌握了较为先进的生物乙醇
生产技术与方法，再加上由于气候条件适宜，巴西的甘蔗具有单产高、含糖量高的特点，其生物乙醇生产成本是全球最低的。目前巴西仍旧不断采取措施来鼓励和推动生物乙醇的发展。
我国作为发展中大国对能源需求极大，对能源供给极度重视，发展生物乙醇是我国寻求能源供给多元化的重要方式之一。据统计到2007年我国生物乙醇产量约为133万吨（约4.4亿加仑）仅次于美国与巴西，并且近年来我国一直在鼓励生物乙醇的发展，计划在2020年将产量提升至1000万吨（约33亿加仑）。我国是传统农业大国，每年农业秸秆产量十分丰富，但大部分秸秆以堆积焚烧的形式浪费掉了，这不仅导致了资源的严重浪费，还带来了严重的环境问题。发展生物乙醇可以很好地解决这一问题，使得资源得到合理重复利用的同时解决了造成困扰的环境污染问题。意识到这一问题，2001年我国由中央政府投资近50亿元在吉林、黑龙江、河南和安徽省建立了4家大型生物乙醇生产企业 ，2007 年又投资在广西兴建了以木薯为原料的生物乙醇生产企业。除此外，我国还出台了一系列政策来鼓励生物乙醇的发展，包括免除部分乙醇燃料的消费税；免除部分生物乙醇的生产税；对生物乙醇生产企业进行直接补贴等。
1.1.2 生物乙醇的生产原料发展现状
生物乙醇的生产原料主要可以分为四类：以玉米、薯类为代表的淀粉质原料，其生产出来的生物乙醇通常被称为第1代生物乙醇；以蜜糖、蔗糖、甜高粱等为代表的糖类原料，其生产出来的生物乙醇通常被称为第1.5代生物乙醇；以农作物秸秆、蔗渣、工厂纤维质角料为代表的纤维质原料，其生产出来的生物乙醇通常被称为第2代生物乙醇；通过自养或异养的方式培养富含淀粉或糖类的微藻等微生物，然后将其中的淀粉糖类用于生产生物乙醇，该方法生产出来的生物乙醇通常被称为第3代生物乙醇。
在美国应用最广泛的是第一类原料即以玉米味原料生产生物乙醇，在巴西绝大部分的生物乙醇以甘蔗为原料生产。而在中国，发展第1代和第1.5代生物乙醇会消耗大量粮食和饲料等。中国是全球人口最多的国家，人多地少，人均粮食产量很少，因此用粮食来发展生物乙醇显然不太符合国家基本国情，而第3代生物乙醇的发展目前仍在研究中，微藻类微生物的培养仍需攻克很多难关。而在中国秸秆产量丰富，各类纤维质物质浪费严重，因此将这些用来发展生物乙醇是符合我国目前的国情，第2代生物乙醇在目前的中国是发展潜力最大，最适合国家发展战略的。
1.2 生物乙醇生产方法及步骤
不同原料用于生产生物乙醇的生产工艺方法有着不同的差异：
（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有水解发酵两步法、同时糖化发酵法（一步
法）、固定化细胞发酵法等。其基本工艺过程为
催化剂 酵母
↓ ↓
纤维原料 → 预处理 → 水解 → 发酵 → 蒸馏 → 产品
本实验的研究是以纤维质原料来生产生物乙醇的，因此本文只介绍以纤维质原料生产生物乙醇的基本方法。由植物纤维原料制备生物乙醇主要有以下几个核心步骤：原料预处理，水解（糖化），发酵。
1.2.1 原料预处理
植物秸秆大部分组分为植物细胞壁，纤维素、半纤维素、木素含量十分丰富。纤维素是天然高分子化合物，其化学结构由很多的β—D—吡喃葡萄糖基彼此以1,4—β糖苷键链接而成，其通式为（CH2O）n ，纤维素经水（酶）解能产生大量葡萄糖。半纤维素主要是木糖及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成，其成分为五碳糖，较易经水解转变为五碳糖。木素是具有三维结构高分子化合物，由苯基丙烷结构通过醚键和碳碳键链接而成，木质素和半纤维素果胶质等物质一道以填充物和粘合剂的形式存在于细胞的微细纤维之间，是阻碍水解纤维素的重要物质。纤维素、半纤维素、木素是植物细胞壁的三个重要组成部分，也是地球上最丰富、最廉价的可再生生物质原料资源。本实验的研究原料黄豆秸秆中纤维素占43.16%，半纤维素占23.07%，木素占16.83%，抽出物占2.71%。为了除去抽出物，防止抽出物影响，使得实验效果更佳突出、明显，实验中预处理之前通常还会对原料进行苯醇抽提处理。
因为植物细胞壁的结构特征主要为以纤维素为骨架，半纤维素和木素为填充物，这些填充物对纤维素的水解起到很大的阻碍作用。因此，原料预处理是制备生物乙醇和其工业化生产的一个关键步骤，其目的主要是粉碎木质素和半纤维素对纤维素结构的保护，瓦解纤维素自身的晶体结构，除去阻碍水解糖化和发酵的生物质内在结构。使得纤维素与水解酶能够充分接触，达到良好的水解效果，并且后续发酵也能更好进行。因此，预处理是否合适对后续进行水解和发酵工艺意义重大。若预处理适当，水解时所需要的酶的品种和用量的选择空间就比较大，可以有效地降低生产成本，同时提高原料利用率。
工业上评价预处理方法的有效性主要有以下几个标准：1，进行预处理前是否须对原料进行粉碎处理；2，是否可以保留半纤维素中的戊糖结构；3，是否能有效限制对发酵过程具有抑制作用的物质产生；4，能源消耗多少。目前，常用于预处理的方法主要可以分为物理法、化学法、生物法以及其他多种方法联用技术。其中物理法预处理技术主要包括蒸汽爆破、机械破碎、微波、超声波等处理方法，通过这些预处理方法处理原料可以有效地改变天然纤维素的结构。化学法预处理技术主要包括酸、碱、臭氧和其他有机溶剂预处理，可以有效破坏纤维素的晶体结构，打破木质素及半纤维素与纤维素之间的连接。生物法预处理技术是利用可以降解木质纤维素类物质的微生物所产生的生物酶来降解木质素和溶解半纤维素。然而，上述方法无论从目前的技术层面还是其经济效益方面都不能使各种生物质原料生物乙醇得到大规模生产。各国研究者通过研究发现不同预处理方法存在不同的利弊，并且针对不同种类的木质纤维素类原料物质提出不同了预处理方法。以下分别介绍物理法、化学法、生物法预处理以及多种方法联合使用用预处理的基本情况。
（1） 物理法
物理法有蒸汽爆破法、机械破碎、微波、超声波处理等。蒸汽爆破法是木质纤维素类生物质在高压水蒸汽中经过短时间加热，然后快速释放压力至大气压，从而使原料经历爆发性减压过程。该过程导致纤维结构膨化破坏，有利于促进下游的酶解环节。机械破碎是利用机械直接对纤维素类生物质原料进行处理，使得原料结构被破坏。但是此两种方法对于不同种类原料结果差异较大。微波处理时原料一般被浸泡在较稀的化学试剂中，然后再利用微波处理一段时间。有研究发现，利用微波处理原料时最适宜的浸泡试剂是氢氧化钠的稀溶液。Binod等利用微波辅助进行甘蔗渣预处理，在450W条件下，微波-碱处理5 min后，去除了质量分数约为90％的木质素；通过X-衍射、扫描电镜和傅里叶变换红外光谱检测证实微波处理可以有效提高可发酵糖的产率。而对于超声波法，尽管有关超声波预处理木质纤维素类物质的相关研究较少，但已有研究表明，原料经超声波处理后，纤维素的糖化程度得到了明显提高。超声波预处理提高酶水解的产率可能是因为超声波处理带来的气室效应极大地促进了酶分子向原料基质表面的运动，而且，气室的破碎提供了一个有利于酶促反应的环境条件。
（2） 化学法
化学法主要有酸、碱预处理和有机溶剂预处理。
酸法预处理，19世纪，法国化学家Braconnot首先提出了浓酸处理的方法，但是浓酸会腐蚀实验设备且很难回收，而且纤维素水解转化为糖的同时，有部分的糖会被进一步反应成糠醛等其他副产物，这些副产物会对后续的发酵过程产生抑制作用。近年来，有大部分研究者对高温、低酸浓和稀酸加催化的预处理方法进行了大量的研究。高温、低酸浓处理时，使得半纤维素发生降解，升高温度能在保证处理效果的同时降低酸的用量，降低生产成本。但若要有效地破坏木质素的结构，往往需要较高的温度(160℃-220℃)，这就对设备有较高的要求，而且能耗也较高，此外所产生的抑制物也会明显增加。为了在中低温度下进行预处理达到较高的酶解转化率，可通过加入催化剂的方法。加催化剂稀酸处理的方法能有效溶出木素片段，使木质素被脱除，同时有助于后续酶解转化率。但是稀酸水解过程中会产生的有害副产品，这一问题还未能得到有效解决。元英进等以稻草秸秆为原料，研究了乙醇的加入对不同浓度的硫酸预处理酶解糖化效率的影响。结果显示葡聚糖受酸浓度和乙醇的影响很小，而木聚糖随着酸浓度的升高有明显降低，并且乙醇的加入使木质素随着酸浓度的升高而显著降低，说明木质素需要通过加酸催化使化学键断裂，而乙醇可有效的溶解木质素片段。
碱法预处理，碱法预处理主要是以NaOH预处理和氨水预为处理药品对原料进行预处理。该方法的原理是利用碱性溶液能够溶解木质素的特性，用稀NaOH溶液或氨水在一定条件下处理生物质原料，破坏其木质素结构，并使木质素被溶出，暴露出纤维素，提高纤维素酶的可及性，有助于酶解过程的进行。与酸法预处理相比，碱法预处理的一般条件较为温和，对设备的要求比酸法预处理要低，且木素脱除率比较高，但是碱对半纤维素的降解作用也很强，导致碱法预处理过程中将近50%的半纤维素被降解而溶出，因此导致半纤维素和纤维素的损失较大。此外，碱法预处理还有可能产生副产物，影响纤维素酶的活性。因此，未来碱法预处理的研究方向应该要在保证纤维含量的条件下也能达到较好的脱除木素的效果，并且能减少副产物的产生或者能除掉预处理过程中产生的不利副产物。
有机溶剂预处理，有机溶剂预处理是采用有机溶剂或其水溶液对木质纤维素原料进行预处理，而为了增强实验预处理效果，有时我们会加入适当的催化剂。有机溶剂预处理，能脱除木质素、降解半纤维素，使原料的孔隙率和表而积增加，从而增大了纤维素酶与纤维素的可接触而积。
乙醇预处理是目前研究比较多的有机溶剂预处理方法。乙醇具有挥发性大、低毒、易回收利用的特点。目前，将乙醇作为溶剂处理木质纤维素原料研究较多的是自催化乙醇处理法和酸催化乙醇处理法。自催化乙醇处理法通常是指除乙醇之外，不添加任何其它化学药品作为催化剂，而依赖于预处理的过程中释放的有机酸(主要为乙酸)来提供所需要的酸度的乙醇预处理法，反应温度通常在180℃-210℃之间。酸催化乙醇预处理法是指向体系中直接添加有机酸或无机酸来作为催化剂，从而促进脱木素作用和半纤维素的水解，并且加入酸性催化剂可以降低反应温度和压力。
与稀酸预处理相比，有机溶剂预处理过程中能脱除大部分木素，而稀酸预处理虽然能降解大部分半纤维素，但是大部分木素还残留在原料中，且会在酶解过程中吸附到纤维素酶上，导致有效酶浓度下降，从而降低酶解转化率。因此，与传统稀酸预处理相比，有机溶剂预处理是比较有优势的方法。本文实验研究过程中就是分别使用了自催化乙醇处理法和酸催化乙醇处理法这两种有机溶剂预处理方法来进行实验分析。
（3） 生物法
生物法是利用生物酶或者微生物来直接处理原料。目前使用最多的微生物是褐色和白色腐真菌等，这些真菌可以有效地降解木质素和半纤维素，特别是一些白腐真菌，已经有研究证实，针对不同种类的木质纤维素原料，白腐真菌表现出了很高的去木质素作用。生物法预处理原料的研究空间很大，具有不污染环境、成本较低、有利于后续操作等优点。但是，生物法也存在着诸多局限，例如在预处理中以及其后续操作中要特别注意杂菌的污染；另外处理所需时间较长，而且重复性也比较差。
（4） 多种方法联合预处理
每一种预处理方法各有利弊。因此，有学者对多种方法联合使用技术进行了相关的分析。Pang等人利用蒸汽爆破与微波-辐射联用技术(SE-M I)处理玉米芯原料，结果中发现葡萄糖和木糖的酶水解产率得到了有效提高，而且SE-M I技术对降低生物质原料的纤维结晶度有着显著作用。其他的诸如物理-化学方法联用技术，利用微波法处理时，要先用化学试剂处理原料，然后再进行微波处理；利用蒸汽爆破法处理时时可以通入二氧化硫等可以提高其作用效果；利用微生物处理原料时，可以联合使用有机溶剂法来提升处理效果等。多种方法联合预处理有着广泛的研究空间，其作用效果有望通过不同方法的结合来得到有效提升。
1.2.2 水解
水解过程主要是为了破坏纤维素、半纤维素大分子结构,使其转化为可以用于发酵的单糖。目前主要的水解工艺有酸水解和酶水解两种，早期的水解工艺就是利用稀酸或浓酸来破坏纤维素晶体结构，但由于酸水解比较容易产生较多副产物,且回收和后处理都比较难,增加了工艺条件的复杂性,因此酸水解的发展具有很大的局限性。酶水解的条件相对比较温和,过程稳定,并且商业酶溶液的成本已大幅度降低,是比较适用于促进生物乙醇商业化发展的水解工艺。纤维素是葡萄糖基彼此以1,4-β糖苷键连结而成。正是由于纤维素结构的简单性,决定了其酶水解的简单性。
影响酶水解的因素有很多,主要有酶水解的温度,酶溶液pH值和水解底物的特性,温度和pH值对酶水解过程的影响主要作用于对纤维素酶活性的影响,一般来说,纤维素酶最适温度范围为45-65℃,最适pH值为4.0-5.5。此外,预处理对木素的去除程度和对半纤维素的溶解度对酶解也有很大影响。木质素是生物质原料中对酶解作用阻碍最大的组成成分，半纤维素与纤维素结合紧密，因此木素、半纤维素去除越多，生物质中纤维素的酶可及性越大，水解效果越好。纤维素的晶体结构也是影响酶解效果的重要因素，破坏纤维素的晶体结构及破坏纤维素长链结构，虽然有研究表明晶体结构的破坏对最终酶解产量没有明显影响，但是会对提高酶解速率有很大影响。
1.2.3 发酵
木质纤维原料经过预处理和酶水解之后，其酶解液中含有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及一些其它纤维素或半纤维素的降解物质。水解液经过微生物的发酵,可以获得乙醇以及一些小分子有机酸。主要的发酵工艺过程有以下2类：
(1) 分步水解发酵工艺过程(separate Hydrolysis and Fermentation,SHF)。其特点是纤维素需先在一反应器内进行水解，然后在另一容器中进行发酵过程,因此水解与发酵过程分开进行,两个过程均能实现最佳的工艺条件。但是水解过程中随着容器内的水解产物葡萄糖等越来越多，会对纤维素酶的活性产生抑制作用,所以水解效果也不太理想。该方法是传统的生物乙醇制备工艺。
(2)为了有效解决水解产物葡萄糖等对纤维素酶的抑制作用问题,发展了同步糖化发酵过程(simultaneous sacchairfication and Fermentation,SSF)。SSF过程的特点是酶水解和乙醇发酵相结合，在同一反应容器中进行。原料经酶水解的产物一一糖类一生成,就会马上进行发酵,有效降低容器内水解产物的浓度,促进了水解反应的进行。由于乙醇对水解反应的抑制作用比糖类小,所以相对SHF过程,SSF过程的反应速率更快，乙醇产率更高浓度更大。此外这一过程还有设备简单,易操作的优点。但是该生产过程最大的限制条件即酶水解与发酵过程的最佳工艺条件不能同时达成，因此其最终产率并非一定比SHF大。
1.3 本实验的研究内容及意义
1.3.1 本实验研究内容
本实验是研究以黄豆秸秆为原料生产生物乙醇的一个重要环节。研究的是有机溶剂（乙醇）预处理黄豆秸秆的最佳工艺条件。即以黄豆秸秆为原料，研究乙醇预处理中处理时间，处理温度以及乙醇浓度对预处理后产葡萄糖的影响。先进行单因子实验，分别找到找到三个因素的最适点即中心点，然后以此中心点为基础以中心组合响应面法找出预处理产葡萄糖的最佳工艺条件。同时分别分析不同条件的变化对预处理得率、酶解得率、葡萄糖产率的影响程度。
1.3.2 本实验研究意义
全世界每年有大量的农业废弃物产生，其中中国每年大约有7亿吨农业废弃物产生，这些农业废弃物通常就地焚烧，这导致了大量的纤维素资源浪费，同时也导致了严重的空气污染，不符合国家发展战略要求。天然纤维原料结构相当复杂，所以酶解时，纤维素酶系与纤维素接触困难，酶解难度很大。因此需要在酶水解之前进行必要的预处理,以改变天然纤维原料的结构,降低纤维结晶度,脱去木质素,从而提高酶解效率。本文实验研究选取了有机溶剂（乙醇）对黄豆秸秆进行预处理,并就酶解的糖化效果进行了研究,以期寻找纤维素在酶解转化为葡萄糖等糖类物质的最佳预处理工艺条件，促进其产业化进程。
预处理技术作为木质纤维转化为其他资源的关键步骤,是科研工作者关注的焦点。传统的化学处理、机械处理技术等耗能较多,且不同程度地存在环境污染。但是乙醇预处理在反应过程中可以不以任何化学药品为催化剂，而依赖于乙醇预处理过程中释放的酸提供所需的酸度，及乙醇自催化；或只加入极少量的稀酸溶液作催化剂。此外，乙醇可以简易回收循环使用，较好地解决了减法废液的污染问题。
黄豆秸秆酶解糖化产得的糖是转化为生物乙醇的重要资源，秸秆的纤维素资源（农业废弃物）的合理开发利用转化为人类需要的资源，不仅使资源得到合理化应用，而且能避免环境污染，能够为人类和自然带来更好的利益。因此寻找酶解转化之前预处理的最佳工艺条件是秸秆资源实现合理的产业化应用的重要一步。

22

二．实验方法与过程
2.1 实验原料与仪器准备
2.1.1 实验原料
实验原料：玉米秸秆 （山东某厂）
表2.1 化学试剂一览表
药品名称
纯度级别
生产厂家
苯
分析纯
国药集团化学试剂有限公司
95%乙醇
分析纯
国药集团化学试剂有限公司
无水乙醇
分析纯
国药集团化学试剂有限公司
无水醋酸钠
分析纯
国药集团化学试剂有限公司
乙酸
分析纯
国药集团化学试剂有限公司
浓硫酸
分析纯
国药集团化学试剂有限公司
酶粉
分析纯
武汉中南生物酶制剂有限公司
除以上试剂外，试验中还使用到了实验室自己配制的DNS溶液，测定其标准曲线为Y=0.6916X-0.0237。
2.1.2 实验设备及仪器
表2.2 实验设备一览表
型号
名称
生产厂家
FZ102
微型植物粉碎机
天津市泰斯特仪器有限公司
360
傅里叶红外光谱仪
美国Thermo Nicolet公司
9060
不锈钢电热蒸馏水器
上海市博讯事业有限公司医疗设备厂
KQ-C
玻璃仪器气流烘干器
巩义市予华仪器有限责任公司
AL 204
电子分析天平
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司
DF-101S
集热式加热磁力搅拌器
郑州长城科工贸有限公司
SHZ-D(Ⅲ)
循环水式真空泵
巩义市予华仪器有限责任公司
ZHWY-2112B
恒温培养振荡器
上海市智诚分析仪器有限公司
UV-2550
紫外可见分光光度计
日本SHIMADZU公司
此外还有真空干燥箱、热风烘箱、13ml小钢罐、电炉、液枪等。
主要玻璃仪器有：
索氏提取器，500ml、50ml烧杯，250ml、50ml、10ml容量瓶，25ml三角瓶，G2砂芯漏斗，G2砂芯坩埚，250ml抽滤瓶，100ml、25ml量筒，25ml比色管，10ml、2ml、1ml移液管以及玻璃棒等。
2.2 实验步骤
2.2.1 原料准备
（1） 取一定量黄豆秸秆，去除其中的枯叶，将得到的黄豆秸秆用小型粉碎机粉碎。
（2） 用40目和60目网筛对上步得到的粉末进行筛选，得到40-60目的秸秆粉末，测定水分，计算300g绝干需要的量并筛选出足够的量备用。
（3） 将原料进行苯醇抽提处理，处理后风干，再放入真空干燥箱备用。
2.2.2 操作步骤
（1） 单因素法寻找中心点：
①．取绝干样品1g，处理液10ml（硫酸浓度为0.5%）于小钢罐。分别控制保温时间（30min，60min，90min），处理温度（140℃，150℃，160℃）以及预处理液乙醇浓度（25％，50％，75％）的单因素变量进行预处理。
②．将处理后的样品放置于冰箱24h后测定水分。计算出蒸煮预处理得率。
③．酶解糖化处理，取预处理后样品绝干0.25g于25ml三角瓶，加入事先配好的酶液25ml。放置于恒温培养振荡器中，在50℃条件下振荡处理72h。
④．取糖化后的处理液稀释相应倍数后，取1.5ml稀释液，加入2mlDNS溶液，沸水处理10min，之后再将溶液稀释至25ml。
⑤．将上述溶液进行紫外检测，测定540nm下的吸收值，计算出糖含量。并得到酶解得率。
⑥．结合预处理得率和酶解得率，得到相应预处理条件下的葡萄糖产率。
⑦．分析糖产率数据分别得到最适合的预处理保温时间、处理温度和乙醇浓度及中心点。若在①的处理条件中未得到中心点，则分别按照温度保温时间乙醇浓度的变化趋势补进处理条件，重复上述过程，直到找到中心点。
（2） 中心组合响应面法寻找最适预处理条件
①.以（1）中得到的中心点为基础，确定出中心组合响应面法的所有预处理条件。
②．以中心组合条件组为预处理条件，进行蒸煮预处理。
③．将得到的处理后样品进行步骤（1）中的②至⑥处理。得到最终数据。
④．分析得到的数据，用软件STATISTICA以温度、保温时间、乙醇浓度三选二为X、Y轴，以蒸煮得率、酶解得率及葡萄糖产率三选一为Z轴作XYZ-3D图，得到最适处理条件。并用Minitab软件分析p值，确定各因素对实验结果的影响情况。
（3）．将原料和中心点预处理后的样品进行红外检测，比较分析结构变化。

三．分析与讨论
3.1 原料结构分析
试验用原料为黄豆秸秆，属禾本科植物原料。经检测其组成如下表。
表3.1 黄豆秸秆原料成分表

综纤维素
纤维素
木素
抽出物
灰分
总和
黄豆秸秆
66.23%
43.16%
16.83%
2.71%
2.71%
88.48%
将原料进行红外检测，谱图放于3.4节中与中心点处红外谱图对比分析。
3.2 单因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，本实验选用的是酸催化乙醇预处理。通过前期实验比较，实验中采取0.5%硫酸作催化剂，固液比选用1:10，分别控制单因素变量找出预处理温度、保温时间、乙醇浓度的最佳值。
3.2.1 乙醇浓度对预处理的影响
预处理时乙醇浓度不同预处理结果会有不同。本实验考察了25%，50%，75%乙醇浓度处理原料是对预处理和酶解效果的影响。其他预处理条件为处理温度150℃，保温时间60min。
表3.2 不同乙醇浓度预处理黄豆秸秆各项产率表
温度/℃
保温时间/min
乙醇浓度/%
蒸煮得率/%
酶解得率/%
葡萄糖产率mg/mg原料
150
60
25
73.68
48.78
35.94
150
60
50
70.17
53.15
37.30
150
60
75
48.42
71.88
34.80
从上表中看出，乙醇浓度越高蒸煮得率变少，酶解得率升高。乙醇浓度越高，反应条件越剧烈，木素脱除越多，蒸煮得率越低。而酶解时，酶对纤维素的可及性越高，酶解得率越高。综合二者，在50%乙醇浓度时葡萄糖产率最大。因此，综合考虑，50%乙醇浓度时较为适合的预处理乙醇浓度。

3.2.2 保温时间对预处理的影响
通过查阅资料可知预处理的保温时间对预处理结果和酶解结果有一定影响。本实验考察了保温30，60，90，120min对预处理后实验结果的影响。其他预处理条件为150℃，乙醇浓度50%。
表3.3 不同保温时间预处理黄豆秸秆各项产率表
温度/℃
保温时间/min
乙醇浓度/%
蒸煮得率/%
酶解得率/%
葡萄糖产率mg/100mg原料
150
30
50
70.31
51.83
36.44
150
60
50
70.17
53.15
37.30
150
90
50
65.33
58.68
38.33
150
120
50
51.41
71.38
36.70
由上表不难看出，控制保温时间这一单一变量时，保温时间越长，蒸煮得率越低酶解得率越高。这表明，保温时间越长，预处理时木素脱除越彻底，纤维素半纤维素的降解水平也越高。因此酶解处理时，酶对纤维素的可及性越高，故酶解得率也越高。综合二者可知，保温90min时葡萄糖的产率最高。所以综合考虑可知90min时预处理时较为理想的保温时间。
3.2.3 温度对预处理的影响
温度是影响预处理的一个重要因素。在本实验中，根据查阅参考文献和实际操作条件结合前面实验，共研究了140-180℃五个温度对预处理后实验结果的影响，其余预处理条件为保温时间90min，乙醇浓度50%。其预处理结果及酶解结果和糖产率如下表。
表3.4 不同温度预处理黄豆秸秆各项产率表
温度/℃
保温时间/min
乙醇浓度/%
蒸煮得率/%
酶解得率/%
葡萄糖产率mg/100mg原料
140
90
50
68.41
50.96
34.86
150
90
50
65.33
58.68
38.33
160
90
50
58.51
70.53
41.27
170
90
50
53.62
79.32
42.53
18