纤维素经离子液体预处理制备燃料乙醇工艺研究

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以木质纤维素为原料发酵生产乙醇是石油替代资源的重要组成部分,具有发展经济和保护环境的双重意义。但木质纤维素内部高度致密的结晶结构严重阻碍了其酶解糖化,原料预处理成为纤维素资源化利用的关键。传统的预处理方法有物理法、化学法和生物法等,但都存在一定的弊端,如物理法能耗高、设备投资大,化学法容易腐蚀设备、污染环境,生物方法效率低等。离子液体作为一种结构和性能可调的“绿色”溶剂,具有很强稳定性和良好的溶解能力,可以直接溶解纤维素。本文利用离子液体对纤维素预处理,进行酶解和乙醇发酵过程研究。本文合成了1-烯丙基-3-甲基咪唑甲酸盐([AMIM][COOH])和1-丁基-3-甲基咪唑氯酸盐([BMIM]Cl)两种离子液体;探讨了微晶纤维素在不同条件下(如外场、温度、时间以及反溶剂等),经离子液体预处理前后的酶解速率变化。研究发现随预处理温度的升高,纤维素的糖化速率呈现先增大后下降的趋势,90℃为最佳温度,过高温度会使纤维素分子间有部分团聚的现象,增加预处理时间和采用乙醇作为反溶剂,均可促进纤维素酶解糖化速率;纤维素在最佳条件下(90℃,2h,乙醇作为反溶剂)经[AMIM][COOH]和[BMIM]Cl预处理,酶解速率分别提高24.94%和45.48%。通过用扫描电子电镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析纤维素预处理前后的微观形貌变化,探讨了纤维素在离子液体中的溶解机理。研究发现,经离子液体处理的纤维素并未发生衍生化现象,是个物理作用过程,溶解遵循电子给予体—接受体(Electron Donor-Acceptor, EDA)理论。研究经过离子液体[BMIM]Cl对纤维素预处理前后的同步糖化发酵生产乙醇的效果得出在250g·L-1的底物浓度、酶负载量33.3FPA·g-1纤维素条件下,纤维素经离子液体预处理同步糖化发酵72h后,乙醇浓度达109.77g·L-1,发酵效率是相同条件下未处理纤维素2.80倍。
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