离子液体辅助处理玉米秸秆转化乙醇的效果研究
摘要：通过将玉米秸秆在不同条件下(包括酸处理法，碱处理法，湿氧处理法）进行预处理，然后使用不同的醇胺类离子液体进行再处理，同时用纤维素酶进行水解。对于纤维素的分离和乙醇的转化率有很大的提高。主要结果如下：(1)针对木质素和半纤维素紧密包裹纤维素的结构特点,直接水解玉米秸秆效果不理想的问题,本实验采用传统方法和醇胺类离子液体相结合的处理方式在一定条件下对玉米秸秆进行预处理。结果表明：醇胺乳酸和湿氧处理相结合的方式进行预处理4小时，乙醇转化率最高，其转化率为39.31%。与传统方法直接水解玉米秸秆相比，转化效果有明显改善（数据说明）。 关键词：醇胺类离子液体 玉米秸秆 同步糖化酵解
Abstract: In today's fossil fuels are depleted environment, bio-ethanol has a very good application and promotion of value. Corn stover under various conditions (including acid treatment, alkali treatment, wet oxygen process) pretreatment, then re-treatment for alcohol amine ionic liquid cellulase hydrolysis. Separation of cellulose and ethanol conversion rate has been greatly improved. The main results are as follows: (1) the structural characteristics of lignin and hemicellulose tightly packed cellulose, direct hydrolysis of corn stover is not satisfied with this experimental approach combining traditional methods and different alcohol amine ionic liquid under certain conditions, pretreatment of corn stover. The results showed that: the the alkanolamines lactic acid and wet oxygen handle a combination of 4 hours pretreatment, the ethanol conversion rate, the conversion rate of 39.31%.
Key words: alcohol amine ionic liquid corn stalks simultaneous saccharification and fermentation of
作品内容简介
秸秆里含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素, 水解法是指把秸秆中的纤维素、半纤维素转化为多糖, 然后再用生物技术发酵成为乙醇。其工艺过程为: 首先借助化学的、物理的方法对秸秆进行预处理, 使纤维素与木质素、半纤维素等分离开, 使纤维素降低聚合度, 半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖; 其次单糖在细菌、真菌、酵母菌等微生物代谢作用下生成乙醇[3 ] 。
离子液体能够作为新型溶剂和新型的材料引起人们广泛的关注，是因为离子液体具有一些传统溶剂所没有的特性[14-15]。醇胺类离子液体是无毒无害、稳定性好的绿色溶剂离子液体，该离子液体应具备易于合成、原料来源广、价格便宜等优势，便于工业化的应用。在预处理及水解的过程中添加廉价易合成的醇胺类离子液体或其它种类的离子液体来提高预处理效果，从而提高木质纤维素转化为燃料乙醇转化效果，另外醇胺类离子液体易于回收利用，这节省了生产成本，大大提高了纤维乙醇生产工业化可能性。
本课题将玉米秸秆在不同条件下(包括酸处理法，碱处理法，湿氧处理法）进行预处理，然后使用醇胺类离子液体进行再处理，同时用纤维素酶进行水解。对于纤维素的分离和乙醇
的转化率有很大的提高。通过实验在一定条件下，和不同条件下预处理和醇胺类离子液体再处理方法同时进行糖化酵解实验，最后进行乙醇转化率的测定，从而找出最佳工艺条件。
1 研制背景及意义
1.1 纤维乙醇的研究的背景
对玉米主产国及主产地区来讲， 玉米秸秆是一种丰富的资源。 玉米秸秆主要由纤维素、 半纤维素和木质素组成。木质素、 纤维素和半纤维素相互缠绕在一起来增强细胞壁的强度。近年来人们对玉米秸秆中的纤维素、 半纤维素生产乙醇的研究方兴未艾， 利用纤维素、 半纤维素生产燃料酒精的研究已成为国内外研究的热门课题。纤维素是一种有吡喃型葡萄糖单体以糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行排列成丝状不溶性微小纤维，而半纤维素主要由木糖以及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成，而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物， 半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素较困难水解为六碳糖。对玉米秸秆能源资源乙醇化的研究主要是对纤维素的研究。
纤维素是世界上量最大的一类可生物分解的、可再生的能源物质，它存在于各种有机固体废弃物中，如作物秸秆、畜禽粪便、枯枝落叶、园林废物、工厂废渣等，就玉米秸秆而言它是一种纤维素极其丰富的物质，具有很高的利用价值。 1.2 国内纤维乙醇的研究现状
国燃料乙醇的生产基本上都是利用淀粉质和糖蜜等为原料，到2001生产能力达132万吨/年，成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国[5]。随着我国经济的快速发展，开发以农作物秸秆为代表的各类木质纤维类生物质原料替代粮食资源的燃料乙醇技术，被专家们认为是未来解决燃料乙醇原料成本高、原料有限的根本出路。河南农业大学将物理、化学与生物技术有机地结合起来，优化了原料预处理，使玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到65.39%、45.11 %和39.16%。他们设计了小型多目标参数调节与控制的纤维质糖化罐，筛选出能共发酵己糖和戊糖的酵母，优化乙醇发酵过程控制工艺参数，在糖化率、糖醇转化率等重要指标上都有所突破，在同类研究中已达到国内领先水平。农业部规划设计研究院利用甜高粱茎秆固体发酵和茎秆汁液液体发酵工艺。固体发酵工艺特点是将甜高粱茎秆机械粉碎和揉搓，进行蒸料、引种和搅拌后入池发酵，蒸馏得65%的乙醇。山东大学成功开发木糖一乙醇联产工艺，实现了生物质资源的综合利用，最终燃料乙醇产率达到12.54%。此外，山东大学主持的“酒精生产酵母菌株木糖代谢工程及其发酵工艺的初
步研究”项目使NAN--127工程菌的木糖利用率达到82.1%，乙醇产量达到52.1g/L。南京林业大学化学工程学院建立了玉米秸秆蒸汽爆破预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖同步发酵技术制取酒精的中间试验装置。其中纤维素的水解得率71.3%，还原糖利用率和酒精得率分别为57.17%和0.43g酒精/g消耗的糖。河南天冠企业集团与河南农业大学、山东大学、浙江大学和南京林业大学联合于2006年初建成了国内最大的一条3000吨/年纤维乙醇生产线。该生产线以玉米秸秆为原料，将秸秆粉碎至60目后，其中一部分采用固体法，利用气体脉动装置生产纤维素酶；而另一部分则用来生产纤维乙醇。目前，这一生产线的固体纤维素酶FPA发酵水平达130IU/g，生产成本可控制在3500元/吨；秸秆粉则采用2%硫酸在一定的温度下进行预处理，然后再进行酶解，纤维素酶解率达80%。为纤维乙醇在新世纪形成新的基础产业奠定了坚实的物质基础和技术保障。 1.3 国外纤维乙醇的研究现状
目前国外纤维乙醇的研究处于领先水平，但仍然处于工业化试验阶段。美国、日本、加拿大、瑞典等发达国家高度重视用生物质纤维作为原料生产燃料乙醇，并投入了大量人力和财力。在美国，其技术研发也起步较早，在将纤维质转化为燃料酒精的研究、生产和应用方面也走在了世界的前列。1998年10月，第一家商业性以转化蔗渣和稻壳等纤维质为酒精的工厂在路易斯安那破土动工，年产酒精75.7ML。2001年，美国一家以木屑为原料生产乙醇燃料的工厂，已具备了日产200MW电力的能力。近年来，美国NovozymeS公司和国家再生能源实验室(NREL)在关键技术纤维素酶取得突破，生产1L燃料乙醇所需纤维素酶成本从1.32美元降至13.21美分，计划再经过2年努力，降至2.64美分。加拿大的纤维质燃料乙醇工业一直处于世界领先地位。加拿大的纤维质燃料乙醇工业一直处于世界领先地位。2004年加拿大Iogen公司设立，投资约4000万美元，主要研发纤维素酶技术。加拿大Iogen公司与加拿大石油公司合作投产了世界上最大的、也是迄今唯一的用纤维素废料生产乙醇的装置，每年可将12000一15000t小麦、大麦和其他谷物禾茎转化为300一400万L燃料乙醇。在欧洲，Abengoa公司在纤维质生产乙醇工艺方面占世界主导地位，是以小麦秸秆为原料生产乙醇的瑞典生产商。日本的研究者对纤维素的酒精发酵也作了大量的研究，日本通产省从1980年起制定了生物质燃料化的7年研究开发计划，并设置了生物质研究委员会，经费预算总额为260亿日元，其中技术开发费用达124亿日元。日本工业技术研究院微生物工业研究所从1979年开始进行稻草、废木材能源化的研究，至今酒精发酵技术己基本完善[6]。
[6]
1.4 纤维乙醇研究的意义
在当今化石能源日益枯竭的环境下，生物乙醇越来越具有很好的应用和推广价值。通过将玉米秸秆在不同条件下(包括酸处理法，碱处理法，湿氧处理法）进行预处理，然后使用醇胺类离子液体进行再处理，同时用纤维素酶进行水解。对于纤维素的分离和乙醇的转化率有很大的提高。通过实验在一定条件下，和不同的预处理和再处理方法后进行乙醇转化率的测定，从而找出最佳工艺条件。
2 实验部分
2.1 实验材料、试剂与仪器
HH-2数显恒温水浴锅，金坛市富华仪器有限公司；WG-2003台式干燥箱，中外合资重庆四达实验仪器有限公司；红外光谱仪，美国Nicolet-Series 550；KQ-100B型超声波清洗器，冰乙酸（汕头市光华化学厂，化学纯）；氢氧化钠（天津市福晨化学试剂厂，分析纯）；
2.2 实验内容 2.2.1 离子液体制备
将0.5 mol醇胺溶解于50 mL无水乙醇溶剂后置于一开口烧瓶中,并将烧瓶放入水浴锅中,控制水浴温度为25℃,在适当的滴速下,逐滴滴加酸,酸稍过量,且要溶解于无水乙醇中。适当控制滴加速度,在1h左右滴加完毕,恒温反应1h，然后将其置于干燥箱中80℃干燥1h蒸发掉溶剂乙醇，再然后120℃干燥掉多余的酸，得醇胺类离子液体。
2.2.2 玉米秸秆预处理
将干燥的玉米秸秆粉碎过40目得玉米秸秆粉。
2.2.3 玉米秸秆初处理
酸处理：配制质量分数为1%H2SO4溶液，处理玉米秸秆粉，固液比1：30(g:mL)，常压下水浴煮沸1h,然后过滤,水洗,用1%NaOH溶液调pH值（中和），抽滤干燥，得酸处理品。
碱处理：配制质量分数为1%NaOH溶液, 处理玉米秸秆粉，固液比1∶30(g:mL)，常压下煮沸1h,然后过滤,水洗,用1%H2SO4溶液调 pH 值（中和），抽滤干燥，得碱处理品。
湿氧化：称取60g玉米秸秆粉，置于1L水中搅拌成悬浮液，然后置于有浓度2g/L的Na2CO3溶液存在的高压蒸汽锅中，150℃、0.165MPa处理30分钟，冷却至室温，抽滤干燥，
得湿氧处理品。
2.2.4 玉米秸秆离子液体再处理
1) 未经处理的玉米秸秆粉加离子液体处理
准确称取玉米秸秆粉1g，取与离子液体一定的固液比(g:mL)，置于小烧杯中，放在温度一定温度的干燥箱内加热数小时，然后冷水冷却，放置1h，用去离子水稀释抽滤，然后干燥备用。
2) 酸处理品加离子液体处理
准确称取酸处理品1g，取与离子液体一定的固液比(g:mL)，置于小烧杯中，放在温度一定温度的干燥箱内加热数小时，然后冷水冷却，放置1h，用去离子水稀释抽滤，然后干燥备用。
3) 碱处理品加离子液体处理
准确称取碱处理品1g，取与离子液体一定的固液比(g:mL)，置于小烧杯中，放在温度一定温度的干燥箱内加热数小时，然后冷水冷却，放置1h，用去离子水稀释抽滤，然后干燥备用。
4) 湿氧处理品加离子液体处理
准确称取湿氧处理品1g，取与离子液体一定的固液比(g:mL)，置于小烧杯中，放在温度一定温度的干燥箱内加热数小时，然后冷水冷却，放置1h，用去离子水稀释抽滤，然后干燥备用。
2.2.5 玉米秸秆同步发酵
每一份称取处理过的玉米秸秆1g，装入试管中加少量水，煮沸，冷却备用。 配制pH=4.8的柠檬酸-柠檬酸三钠缓冲溶液，称取0.1g纤维素酶置于50mL的缓冲溶液中搅拌，定容至100mL。
每支试管加20mL上配制的含有纤维素酶的缓冲溶液，再加0.1g安琪甜酒曲或一定量的酵母液，T=35℃，水浴恒温加热发酵2天。
发酵完毕，将抽滤发酵液，洗涤秸秆渣5、6次，将滤液移至圆底烧瓶中，用蒸馏装置将滤液中的乙醇蒸馏出来，待温度升至100℃时继续蒸馏6-7分钟，然后将馏出液用快速测定法测定乙醇含量。 2.3 分析方法