微波处理对水稻秸秆酶解性能的影响研究[开题报告].doc

1、 1 毕业论文 开题报告 生物工程 微波处理对水稻秸秆酶解性能的影响研究 1 选题的背景和意义 能源是当今社会赖以生存和发展的基础，浙江省 90的能源依靠外部输入，而我省气候温和，生物质资源较为丰富，尤其以农林固体废弃物最为大宗，如秸秆资源，根据浙江省统计局的资料表明， 2006年全省秸秆总量超过 1000万吨，相当于 500万吨标准煤的能量。实际上秸秆资源的合理利用率很低，如玉米秸秆， 42过腹还田或直接还田， 30作为农用燃料， 8作工业或其他用途， 20未被利用。 农村秸秆直燃造成 大量温室气体排放而能量未被合理利用， 与中国政府当前提出的减碳目标（到 2020 年中国单位国内生产总值二

2、氧化碳排放比 2005 年下降 40%-45%）不符。因此，合理利用农林固体废弃物尤其是秸秆资源进行生物质能开发，一方面可以改变我省能源结构，提升能源自给能力，另一方面是对废弃物的资源化利用，可以提高农业副产物的利用价值，增加农民收入，同时改善农村环境条件。 秸秆能源化利用途径中目前最为可行的就是进行生物发酵制备沼气，浙江省长期致力推广农村户用沼气池的使用，全省农村已建户用沼气池数量超过 20 万户，正常使用可代替标准煤 5万吨，并且每年新建户用沼气池上千 户。 但是，从目前的实际情况来看，全省已建的农村户用沼气池，大部分都处于非正常使用或停用状态。主要原因是大部分户用沼气池在使用过程中，会出

3、现启动时间过长、气量不足、生物质转化率过低、沼渣残留量大等问题，居民不能正常用气，且沼气池维护的工作量大，因此严重影响居民使用沼气的积极性。 秸秆生物气化过程中出现以上情况的共同原因在于秸秆基质缺乏方便有效的前处理，其复杂而稳定的天然结构不能被快速破坏，产气微生物菌群难以转化秸秆中的纤维素和半纤维素，导致户用沼气池在实际使用过程中产气速度慢、周期长、效率低。本实验利用简单易 行的物理微波辐射前处理方法，改变和破坏秸秆稳定的天然结构，尤其是破坏外层的木质素结构，使纤维素酶和半纤维素酶易 于到达内层，提高秸秆的生物转化效率。 2 相关研究的最新成果及动态 对秸秆进行预处理是提高秸秆的利用率和产气率

4、的一种有效的手段 , 成为目前秸秆沼2 气利用研究的重要内容。秸秆预处理研究体现在营养调节和质地改善两个方面。营养调节通常是调整碳氮比。质地改善 , 主要有物理、化学和生物手段 , 它们都是通过一定措施改善秸秆质地和结构 。 张晓昱等用 NaOH、 H2O2组合处理玉米秸秆，结果表明， NaOH浓度为 7 g/L， H2O2体积分数为 0.7%，底物浓度为 50 g/L，处理时间为 24 h，玉米秸秆的还原糖产量达到了 0.417 g/g，糖化率为 74.73。而将大豆秸秆用氨水室温浸泡一定时间后，经红外光谱、 X射线和扫描电镜检测发现氨水处理对纤维组成、形态、结晶区都有一定程度的破坏，秸秆表

5、面变得疏松，出现了部分微孔，有利于纤维素酶的作用，并且秸秆中纤维素相对含量提高了 70.27，半纤维素含量下降了 41.45，木质素含量下降了 30.16，秸秆的酶解产糖量得到提高 9。其他的化学试剂如不同浓度的盐酸、亚硫酸、 甲酸、氢氧化钠、双氧水和氢氧化钠混合液、硫化钠与碳酸氢钠混合液等均有破坏秸秆和其他木质天然结构的能力。 赵林果等将稻草秸秆经白腐菌发酵，然后利用黑曲霉所产的纤维素复合酶进行酶解，结果表明，稻草外表上的硅质瘤状结构脱落，细胞壁出现大范围破损，整个秸秆组织变得松散，加快了秸秆的腐熟。国外现在研究较多的是白腐真菌对木质材料的生物降解，白腐菌属于真菌门担子菌纲，包括烨多孔菌、云

6、芝、黑褐色刺孢菌、漏斗状侧耳、粉状侧孢霉等 200多个品系，它能分解所有的植物聚合物，降解木质素，在适宜的条件下，白腐菌首先用其分泌的超纤维氧 化酶溶解秸秆表面的蜡质，然后菌丝进入秸秆内部并利用其产生的纤维素酶、半纤维素酶、内切聚糖酶和外切聚糖酶，降解秸秆中的木质素、纤维素成分。在研究白腐菌对稻草秸秆降解规律的时候发现，菌体先降解半纤维素和木质素，然后降解半纤维素和纤维素，并形成单体为菌体生长所利用。 利用高温、超声波、微波等物理手段都能不同程度地破坏木质纤维的天然结构，改变其稳定性。由于爆破处理设备简单，可操作性强，因此在造纸业中广泛应用于木质纤维的前处理以生产纸浆。黄崇杏等利用低压爆破工艺

7、处理蔗渣，发现爆破压力、时间等参数对蔗渣中的纤维素、半纤 维素和木质素的影响有所不同，并且证实了爆破对木质素的破坏作用。蒸汽爆破技术在处理木质纤维时，能实现 纤维各化学组分的有效分离，利于降低杂质含量，提高纤维素含量。扫描电镜观察和图谱分析表明，木质纤维经过蒸汽爆破处理后，其形态结构发生较大的变化，纤维蓬松，比表面积增大，氢键减少，结构重排，有利于提高试剂的可及度，增强化学反应性能 ，并且发现，热解处理也有相似的效果 。 3 3 研究内容 3.1 主要内容概述 1） 水稻秸秆的微波处理； 2） 处理后水稻秸秆的酶解研究； 3） 处理前后水稻秸秆的材料特性研究。 3.2技术路线 查阅文献 熟悉实

8、验仪器及相关操作 采集、粉碎秸杆秆 微波预处理 酶解糖化 响应面分析 验证实验 可行 化学成分及结构分析 分析 不可行 重做实验 X-衍射 扫描电镜 红外光谱 最佳操作参数 葡萄糖测定评价系统建立 4 3.3 实验方法 3.3.1原材料处理 实验所用秸秆来自浙江嘉兴某土壤肥沃农场的成熟水稻，记录水稻秸秆来源地点、时间及环境天气情况。然后将自然 干燥 的稻草 粉碎 ， 通过 20目筛 后 由 40目筛（ 450 流明） 保留存放在一个密封的塑料袋 并保存 在室温下 。 3.3.2微波预处理 实验中使用 MAS-II 型常压微波辅助合成反应仪含数显智能磁力搅拌器 ( 上海新仪微波化学科技有限公司

9、)对粉碎的稻草秸秆进行微波处理。在圆底烧瓶中将秸秆材料（ 1g）与水配成不同的底物浓度并混合均 匀，在不同的微波功率下处理不同的时间。 预处理后，通过瓦特曼滤纸 过滤将 残留物和液体分离。过滤后的 滤饼在 40下烘干 ，存储 装袋并做好标记 ，而液体部分 用来测定 葡萄糖在微波预处理过程中 的增加量 。 3.3.3 葡萄糖测定评价系统建立 比较 DNS法和葡萄糖测定试剂盒等几种测定葡萄糖的方法，选择最适秸秆微波预处理系统的方法。 3.3.4 酶解 在 100mL 锥形瓶中 加入水 解混合物，其中 包括 0.25 g 的秸秆 ，加入适量 纤维素酶 和0.02MpH4.8醋酸缓冲液，使体系中秸秆

10、含量 为 12.5g/L，酶活为 2000U/mL， 于 50、 100r/min的 恒温 振荡箱中 反应 24h。取 2 mL 反应液 经 10000rpm 离心 10min， 收集上清液测定还原糖的含量。 每个样品重复五次。 其中，还原糖的收率 =水解得到的还原糖量 0.9 100%/水稻秸秆质量。式中 0.9 为纤维素转化为葡萄糖的系数。 3.3.5 响应面分析 利用单因素实验，以确定主要因素和相应的范围并将微波功率、微波处理时间、底物浓度和预处理前浸泡在水中的时间这四个因素对秸秆酶解糖化的影响进行了测试。在筛选变量过程中，微波功率、微波处理时间和底物浓度被确定为最重要的变量，其中的范

11、围分别为300-700W， 20-30Min， 60-90g/ L。 5 以 微波功率 、 微波处理时间及底物浓度 作为考察的 3个变量，用 Design-Experters 7.0软件对以上 3个变量进行 Box-Behnken设计，以秸秆材料 的 酶解产糖量为响应值对处理进行响应面分析。利用软件对不同响应值的处理方法进行分析后建立二次响应面回归模型，并根据拟合的回归方程得出最优工艺参数 并进行方差分析 ，确定最优响应因子水平 和最大响应值。 3.3.6 验证实验 由响应面分析得到最优 响应因子水平 。在该最优条件下，进行微波预处理，然后再以 相同的条件进行酶解糖化实验，重复五组。经测得的还

12、原糖收率与模型模拟得出的最大值比较，如果误差在百分之五以内的，说明该模型可行。 3.3.7 秸秆化学成分及结构变化分析 将未处理的秸秆和经微波辐射处理的秸秆分别进行 X-衍射、傅立叶红外光谱和扫描电镜检测，对秸秆结构进行表征比较。 (1)秸秆的 XRD 检测 :分别取未经过处理及 经最优条件下微波 处理过的试样做 X-衍射分析，考察试样的结晶度变化 。根据 X-衍射峰强度确定微波辐射 对纤维素的结晶区和无定形区 的 作用 。 (2) 秸秆的傅立叶红外光谱检测： 分别取未经过处理及 经最优条件下微波 处理过的试样做 傅立叶红外光谱检测，考察秸秆经微波辐射后的化学组分变化，并观察甲基、亚甲基、芳香

13、环等相应的波数的吸收峰的变化。 （ 3）秸秆的电镜扫描检测： 分别取未经过处理及 经最优条件下微波 处理过的试样做 电镜扫描检测，从电镜图中比较试样的致密度及结晶度，观察纤维素、半纤维素、木质素等的分解情况。 4 课题难点及预期目标 4.1课题难点 （ 1）由于实验中还原糖所处的环境是经微波辐射处理及酶解过程的一个复杂体系，而葡萄糖的测定的准确与否是实验成功的关键所在，所以葡萄糖的测定建立评价系统，选择最 合适的方法准确测得还原糖收率，为后面响应面分析的顺利进行打下良好基础。 6 （ 2）微波处理过程中，虽然使用了具有冷凝回流且带有搅拌的微波处理工作站，但由于微波炉内温度很高（不能很好控温），

14、秸秆爆沸贴在圆底烧瓶侧壁，不能完全进入水中，造成不能均匀受热及辐射，所以会造成较大误差。 4.2预期目标 （ 1）建立一套完善的葡萄糖测定评价系统； （ 2） 响应面设计模型可信度高，达 95%以上； （ 3）还原糖收率达 10%以上。 5 论文工作进度和安排 2010.10.30 选题 2010.11.5 布置论文任务 2010.11.5 2010.12.30 查阅文献资料，翻译英文文献，完成文献综述和开题报告 2011.1.10 文献综述、开题报告和翻译文章定稿并上交 2010.11.5-2011.1.10 熟悉实验室环境和基本实验操作，准备实验所需基本材料 2011.4 月前 在学校指定

15、时间完成开题答辩 2010.11.5 2011.5.12 毕业论文实验阶段 2011.5.13 完成并提交毕业论文 2011.5 在学校指定时间进行毕业论文答辩 2011.6 完成并提交答辩后的修改论文 6 参考文献 1罗鹏 ,刘忠 ,王高升 .酸催化的蒸汽爆破预处理强度对麦草酶水解影响的研究 .林产化学与工业 ,2006,26(4):105-119. 2陈洪章 ,李佐虎 .麦草蒸汽爆破处理的研究 II.麦草蒸汽爆破处理作用机制分析 .纤维素科学与技术 ,1999,7(4):14-22. 3黄崇杏 ,王双飞 ,杨崎峰 ,宋海农 .低压蒸汽爆破处理对蔗 渣浆化学组分的影响 .造纸科学与技术 ,2

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