【摘 要】
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藜麦秸秆含有丰富的韧皮纤维和大量的木质纤维素,可经过糖化、发酵转化为燃料乙醇,这是藜麦秸秆生物质资源化利用的有效途径。由于藜麦秸秆结构复杂,直接酶解效率低,需采用合适的预处理方法改变秸秆结构,从而提高酶解糖化效率。本研究以海藜秸秆、甘南藜麦秸秆和格尔木藜麦秸秆三种藜麦秸秆为试验材料,分析其组成和结构,比较不同品种藜麦秸秆的差异性;采用水热、稀碱、离子液体预处理方法对藜麦秸秆进行处理,优化预处理条件
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藜麦秸秆含有丰富的韧皮纤维和大量的木质纤维素,可经过糖化、发酵转化为燃料乙醇,这是藜麦秸秆生物质资源化利用的有效途径。由于藜麦秸秆结构复杂,直接酶解效率低,需采用合适的预处理方法改变秸秆结构,从而提高酶解糖化效率。本研究以海藜秸秆、甘南藜麦秸秆和格尔木藜麦秸秆三种藜麦秸秆为试验材料,分析其组成和结构,比较不同品种藜麦秸秆的差异性;采用水热、稀碱、离子液体预处理方法对藜麦秸秆进行处理,优化预处理条件,通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)、傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectra,FT-IR)及X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)对预处理前后藜麦秸秆进行结构表征,最后筛选出较为可行的预处理方法,主要研究结论如下:(1)海藜秸秆、甘南藜麦秸秆、格尔木藜麦秸秆三种藜麦秸秆在基本组分、结构方面存在差异,海藜秸秆纤维素含量最多(29.89%),木质素含量最少(18.60%)。SEM、FT-IR和XRD分析结果表明海藜秸秆与其它两种藜麦秸秆相比结构较松散、结晶度较低,有利于预处理。(2)水热预处理压力对预处理后藜麦秸秆的纤维素含量、失重率影响显著,各因素对预处理效果影响的主次顺序为预处理压力>预处理时间>液固比。预处理条件为液固比20:1,预处理压力130k Pa下处理60min后,藜麦秸秆纤维素含量达46.57%,比原秸秆提高了55.80%。SEM结果表明水热预处理破坏了藜麦秸秆致密的结构,使藜麦秸秆结构变得松散,预处理效果明显。FT-IR和XRD分析表明水热预处理后藜麦秸秆的官能团和结晶结构未发生变化,部分半纤维素被去除,木质素含量略有增加,结晶度提高。(3)稀碱预处理藜麦秸秆时预处理温度对处理后秸秆中纤维素含量、失重率的影响最大且显著,预处理时间和氢氧化钠浓度的影响均不显著。在预处理温度140℃,氢氧化钠浓度3.5%,处理2h,秸秆纤维素含量最高,达63.54%,比原秸秆提高了112.58%。稀碱预处理后藜麦秸秆表面更加粗糙,纤维束结构被严重破坏,处理效果显著。FT-IR和XRD分析表明稀碱预处理后藜麦秸秆没有产生新的官能团,大部分木质素被降解,结晶度高于原秸秆。(4)离子液体预处理温度对藜麦秸秆的还原糖得率、失重率有显著影响,预处理时间的影响最小。藜麦秸秆优化预处理条件为预处理温度100℃,处理时间5h,液固比15:1,预处理藜麦秸秆糖化时的还原糖得率为33.22%,比未处理秸秆提高了20.93%。[Bmim]Cl预处理后藜麦秸秆原本完整的结构被破坏,表面出现裂痕和孔洞,结构变得松散。FT-IR和XRD分析表明[Bmim]Cl预处理后藜麦秸秆中部分木质素和半纤维素被降解,结晶度升高。(5)三种预处理藜麦秸秆的组分分析结果表明稀碱预处理藜麦秸秆的纤维素含量最大(64.54%),木质素含量最小(16.94%),且酶解后还原糖得率最大(40.92%),比原秸秆提高了48.96%,水热处理秸秆提高了41.10%,离子液体处理秸秆提高了20.93%。SEM结果表明稀碱预处理藜麦秸秆的酶解程度大于水热处理和离子液体处理藜麦秸秆。FT-IR和XRD分析表明三种预处理藜麦秸秆酶解残渣中的官能团一致,其中稀碱预处理藜麦秸秆酶解残渣的纤维素分子间的氢键被严重破坏,大部分木质素和半纤维素被降解。酶解后稀碱预处理藜麦秸秆的结晶度(49.35%)大于水热预处理(43.75%)和离子液体处理秸秆(41.5%),稀碱预处理效果最好。
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