摘 要

以木质纤维素为原料，经过水解转化成葡萄糖，再通过进一步发酵来生产燃料乙醇、氢气等可再生能源，是目前的研究热点之一。而获得高产率的糖液及除去发酵液中的抑制剂是提高乙醇得率的关键。

稀酸水解木质纤维素是较为成熟的方法，但该法会产生大量的发酵抑制剂，影响发酵液的进一步发酵。通过纳滤，可以对发酵液中的目标产物和抑制剂分离，且分离效果十分理想。

本论文通过调节发酵液pH值，探究了pH对渗滤过程溶剂截留率的影响，发现较pH越低越有利于分离的进行；进而通过向溶液中加入无水硫酸钠，与不加硫酸钠的溶液进行对比，分析硫酸根离子对渗滤过程溶剂截留率的影响。结果显示硫酸根离子可以起到一定助滤作用；然后，对比两种渗滤模式，变容渗滤的分离效果更好。最后在已确定的优势条件下进行渗滤脱毒，结果截留液中发酵抑制剂去除率十分理想，并且糖的截留率也达到不错的水平。证明了纳滤膜脱毒的有效性和可行性。为生产燃料乙醇等可再生能源，提供一些理论指导。

关键词：木质纤维素 水解 纳滤 脱毒

Dilute acid hydrolysis of lignocellulose nanofiltration Detoxification

Abstract

Hydrolysis of lignocellulose into glucose, and then further fermentation to produce methanol, ethanol, hydrogen and other renewable green energy, is currently one of the hot spots.To obtain high yield sugar and remove inhibitors in fermentation liquid is the key to improve the yield of ethanol.

Dilute acid hydrolysis of lignocellulosic is a more mature approach, but this way will lead to a lot of fermentation inhibitors,causing much influence to the further fermentation.By nanofiltration, we can separate inhibitors and target product of the fermentation broth, and the separation results are quite satisfactory.

In this paper, by adjusting the pH value of the fermentation broth, exploring the effect of pH on percolation process solvent retention, it was found that lower pH will be more favorable to separation; And then,by adding anhydrous sodium sulfate to the solution , and comparing with the solution witch without sodium sulfate , analysing the impact of the rejection rate of percolation process solvent. The result showes that sulfate ions can play a role of filter aids; Then, the comparison of the two reference filter modes showes that the filter parameter varactor separation is better than another way.Finally, conducting the percolation detoxification process under the established superior conditions.The removal rate of fermentatio inhibitors in retentate is ideal, and the retention rate of sugar has reached a good level.Demonstrated the effectiveness and feasibility of the nanofiltration of detoxification. Providing some theoretical guidance for producing fuel ethanol and other renewable energy sources .

Key Words:lignocellulose;hydrolysis ;nano filtration（NF);detoxification

摘要 II

Abstract III

第一章文献综述 1

1.1课题背景 1

1.2木质纤维素的预处理 2

1.2.1木质纤维素的结构组成 2

1.2.2预处理方法及特点 3

1.3木质纤维素的水解 4

1.3.1水解方法 4

1.4发酵抑制剂及其作用机理 5

1.4.1酸类物质 5

1.4.2醛类物质 5

1.4.3酚类物质 5

1.5水解液脱毒研究发展 6

1.5.1常用的脱毒方法 6

1.5.2纳滤膜脱毒 7

1.6实验目的 10

第二章材料与方法 11

2.1实验材料 11

2.1.1实验试剂 11

2.1.2实验仪器 11

2.2实验方法 12

2.2.1最适脱毒条件的确立 12

2.2.2真实水解液渗滤 13

2.2.3水解液液相分析方法 14

第三章结果与讨论 15

3.1标准曲线的绘制 15

3.2水解液pH对溶质截留率的影响 16

3.3硫酸根离子对溶质截留率的影响 18

3.4硫酸根离子及pH对截留率的影响 18

3.5两种渗滤模式比较 19

3.6真实水解液渗滤 20

第四章结论与展望 23

致谢 27

第一章文献综述

1.1课题背景

随着石油和煤炭等不可再生能源不断被开发和利用，为部分解决能源危机，研究者们开始对可再生绿色能源物质的开发进行研究。人们通过发酵法以粮食为原料生产燃料乙醇及氢气，虽然此法解决了能源迅速消耗的问题，但同时也导致了粮食资源供应不足。

基于这种情况，研究者们对提取活性物质后的药物残渣及农林业废弃物等纤维质原料进行了能源化利用，通过一定的工艺将其水解为葡萄糖，供给人体及动物能量。同时，水解得到的葡萄糖可以通过进一步发酵来生产燃料乙醇、氢气等可再生绿色能源。此法利用纤维质原料代替了粮食，一定程度上缓解了粮食危机。同时农林废弃物的利用，避免了焚烧秸秆等严重污染环境的行为，有利于构建和谐生态环境,发展低碳经济。可再生能源生产的前提及关键条件是获得较高的纤维素水解效率，得到高浓度、高质量的葡萄糖液。

然而，在纤维原料的预水解液中，通常含有很多种副产物，如醛类抑制物(糠醛和5一羟甲基糠醛等)、弱酸类抑制物(甲酸、乙酸和乙酰丙酸等)和酚类抑制物(如香草酸、香草醛等)^[1]。这些抑制物，特别是高浓度的醛类抑制物和弱酸类抑制物，对后面的酶水解和微生物发酵有严重的抑制作用。由此，本文研究了木质纤维素原料产糖过程中的水解及脱毒方面的方法。

1.2木质纤维素的预处理

1.2.1木质纤维素的结构组成

纤维素、半纤维素及木质素是组成木质纤维素的主要成分^[2]。而这三种主要成分其化学结构不同，反应特性也不同。

纤维素是一种主要由β-1,4糖苷键连接的线性高分子聚合物。其本身的结构特性使得其在一定氢离子条件下可以发生水解，分子中的羟基易与其他含氧基团形成氢键，从而使纤维素分子自之间形成结晶区和无定形区，这种结构会阻止纤维素分子的进一步水解。因此预处理需要破坏纤维素结晶高分子结构，使其结构易于水解^[3]。

半纤维素主要由戊糖、己糖及糖醛酸组成，由于具有支链结构会比纤维素更为复杂。半纤维素聚合度低，没有晶体结构，排列疏松，在稀酸中易被水解，产生木糖、阿拉伯糖等多种糖。

木质素是一种主要由香豆醇、芥子醇和松柏醇构成的天然高分子芳香族聚合物。其难溶于水，无法被水解成糖。木质素和半纤维素通过共价偶联形成一个网络结构，包裹住纤维素，阻碍纤维素的水解。

由于木质纤维素物质结构复杂，因此在加工利用之前需要经过预处理以破坏其结构，暴露出其中的纤维素^[4]。预处理方法较多，按其形式分主要有三类，即物理方法、化学方法以及生物方法。

1.2.2预处理方法及特点

物理法一般是指通过研磨、粉碎等手段对木质纤维素原料进行加工，使其粉碎成较小颗粒。但粉碎过程中会产生大量的热，对原料会造成一定的影响。此外，还可以采用微波辐射法、蒸汽爆破法以及高温热水水解法将纤维素结构链切断，得到较小粒径，从而促进原料进一步水解，发酵生产燃料乙醇和氢气等。

化学方法一般多采用一些溶剂作催化剂，水解生物质原料。无机溶剂包括硫酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠以及碱性过氧化氢等，有机溶剂如甲酸、乙酸等，硫酸是目前应用最广的水解催化剂。氢氧化钠和碱性过氧化氢等碱性溶剂预处理原料的原理是通过溶胀作用以及木质素的降解作用，降低木质纤维素原料的聚合度和结晶度，并且使木质素与其它高分子化合物链断裂，从而来增加纤维素原料的内表面积。主要作用和目的是溶解木质素。其它化学试剂（浓硫酸、盐酸、高浓度纤维素溶剂如氢氧化镉乙二胺溶液等）预处理的原理则是使溶剂渗入到纤维素晶体结构中，引起晶内溶胀并完全溶解整个纤维结构。

生物法则主要利用微生物或纤维素酶的降解作用，催化纤维素和半纤维素转化为糖类。酶降解木质纤维素类原料的关键在于找到适合的微生物菌种，通过培养微生物来产生木质酶、纤维素酶、半纤维素酶等，从而达到降解木质纤维素原料的目的。科学界的早期研究致力于微生物菌种的发现，Lee早在1997 年便发现，利用浸没培养法和固态发酵法，能够制得可降解木质素的微生物菌群^[5]。Kang也指出了可以利用固体发酵法生产纤维素酶和半纤维素酶^[6]。

由于生长环境、种植方式以及收割方式的差异，不同来源的材料其主要成分含量都是不同的，因此酶解法没有固定的水解方式，每种原料，都要根据原料组织内木质素、纤维素及半纤维素的含量来决定水解需采用的酶、菌种及方法。但酶解法处理时间长，价格也比较昂贵，限制了该法在工业生产中的广泛应用。

1.3木质纤维素的水解

1.3.1水解方法

稀酸、浓酸及酶解是木质纤维素原料水解的三种使用最广泛的方法。稀酸水解较浓酸催化水解所用酸浓度低，成本更低，且腐蚀性小，是较为成熟的水解方法。在稀酸水解木质纤维素过程中, 稀酸能使氢离子和纤维素链含氧基团相结合,会使纤维素链结构变得不稳定, 从而容易和水反应，导致纤维素长链断裂，同时放出氢离子。而氢离子和含氧基团会继续结合，引起纤维素链的连锁反应，纤维素长链会一直解聚，直到分解为最小的单元。在稀酸水解过程中,除了糖类外，还容易形成大量的发酵抑制物, 具体过程如下图所示^[7]：

图1-1木质纤维素水解示意图

半纤维素水解产物主要包括阿拉伯糖、木糖、甘露糖葡萄糖等单糖以及少量乙酸，这些糖在酸性条件下不稳定，所以会继续降解，阿拉伯糖和木糖会生成糠醛，其他糖则降解成羟甲基糠醛，进而还会产生甲酸。乙酰丙酸等物质。纤维素由于成分较简单，水解生成葡萄糖，继续水解生成羟甲基糠醛、甲酸和乙酰基丙酸等物质。木质素则主要水解成酚类化合物。

1.4发酵抑制剂及其作用机理

木质纤维素在稀酸的作用下会发生水解反应，会生成一些抑制发酵进程的抑制剂，一般依据发酵抑制物的属性将水解产物分为三大类别，即酸类物质、酚类物质、醛类物质。

1.4.1酸类物质

酸类物质主要有甲酸、乙酸和乙酰丙酸等。在学术界普遍认为, 大约只有在酸性条件下，酸类物质才会对发酵产生抑制的作用。 然后有机酸分子采取简单扩散的手段跨越细胞膜转而进入细胞内。然后大部分的有机酸分子因为胞内接近中性的pH值而在胞内发生了解离反应, 这了提高胞内的H 浓度，从而使存在于胞内外的H 梯度遭到破损, 膜电位也被降低。这时候必须要把细胞内过多H 排出到细胞外，其主要目的是为了维持膜电位,帮助一些营养物质的跨膜运输。同时在这种情况下单单只是利用电子传递质子泵是无法达到将胞内H 排出胞外的目的，细胞必须需要利用水解ATP来推动ATP 合成酶质子泵进行反转。

在上面的过程中可能会出现如下的一些情况，细胞代谢缓慢, 原料利用速率下降, 甚至会发生细胞死亡的情形 。而发生这些情况的主要原因是由于ATP 大量地被消耗, 同时又不能从呼吸偶联作用中得到补充, 进而导致用于胞内代谢的ATP 供给不足,由此就引发了缺乏一些必需的酶、辅酶以及一些营养物质的现象。依据这一假说, 可以推断出有机酸对于微生物生长的抑制作用大小，应该主要由其疏水性决定。疏水性的强弱, 直接决定物质主动扩散的强度。综上所述，有机酸呈现出不同强度的抑制效果，主要是由于破坏H 梯度的程度不同 。

1.4.2醛类物质

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