本科毕业设计纤维素酶水解废纸.docx

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本科毕业设计纤维素酶水解废纸

LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

毕业设计（论文）

题目七种常见废纸的生物质含量测定及其酶解研究

学生姓名纪应帅

学号10560111

专业班级生物工程1班

指导教师杨明俊庄岩

学院生命科学与工程学院

答辩日期

第页

七种常见废纸的生物质含量测定及其酶解研究

专业：

生物工程学号：

10560111姓名：

纪应帅

指导教师：

杨明俊庄岩职称：

副教授助教

摘要

通过对七种常见废纸的生物质含量及其特性的研究，确定哪些因素对废纸的酶水解率有较大影响。

实验结果表明：

各类废纸中中纤维素含量都很高，除稿纸外都达到50%以上，非常适合作为乙醇发酵的潜在原料，半纤维素含量较低，在2.5%以下，各类废纸结晶度基本相同，波动范围在96—98%之间，所以半纤维素含量与结晶度对各类废纸的酶水解差异影响不大；各类废纸中木质素含量相差很大，变化范围在11—35%之间，各类废纸的聚合度差异也较大，波动范围在2.3-45.9，因此木质素含量和聚合度对各类废纸的酶水解差异有较大影响。

关键词：

废纸；生物质含量测定；酶水解

Abstract

Throughthestudyonbiomasscontentofsevenkindsofcommonwastepaper,andtheircharacteristics,determinethefactorsofenzymehydrolysisofwastepaper.Theexperimentalresultsshow:

Thefibercontentofwastepaperishigher,morethan50%,it’sverysuitableforpotentialfeedstockofethanolfermentation;Thehemicellulosecontentislow,under2.5%,andAllkindsofwastepaperhavethesamedegreeofcrystallinity,rangebetween96-98%,sothehemicellulosecontentandcrystallinityarenotthemainfactoroftheenzymehydrolysisofallkindsofwastepaper.Thedifferenceinlignincontentofallkindsofwastepaperisbig,rangebetween11-35%;Degreeofpolymerizationbetween2.3and45.9,fluctuationisverybig,Sothelignincontentandpolymerizationdegreehaveeffectsonenzymatichydrolysisofwastepaper.

Keywords:

Wastepaper;Biomasscontent;Enzymatichydrolysis

目录

一、综述1

（一）城市生活垃圾的再利用1

（二）废纸产生的资源浪费和利用价值1

（三）废纸用于发酵乙醇的研究背景1

二、材料与方法3

（一）仪器、药品3

1.电子仪器3

2.玻璃仪器4

3.药品4

（二）实验方案4

1.纤维素含量的测定4

2.半纤维素含量的测定5

3.木质素含量的测定5

4.碘吸附值和结晶度的测定5

5.纤维素聚合度的测定6

（三）酶解研究6

1.滤纸酶活的测定6

2.未处理材料的酶解6

3.经预处理材料的酶解6

三、结果与分析6

（一）纤维素含量的测定结果6

（二）半纤维素含量的测定结果7

（三）木质素含量的测定结果8

（四）碘吸附值和结晶度8

（五）纤维素聚合度的测定结果9

（六）酶解数据的分析9

4、结果讨论……………………………………………………………………………………10

（一）纤维素含量………………………………………………………………………………10

（二）半纤维素含量与木质素含量……………………………………………………………10

（三）结晶度与聚合度…………………………………………………………………………10

（四）酶解实验…………………………………………………………………………………11

五、结论…………………………………………………………………………………………11

参考文献12

致谢13

一、综述

（一）城市生活垃圾的再利用

城市生活垃圾处理是目前困扰所有城市发展的一大世界性难题。

从古代玛雅人建筑的露天垃圾场，利用垃圾积压堆积发生自燃而消解垃圾，到今天科技含量更高的各种垃圾处理技术，人类在不断寻求更理想、更环保的垃圾处理方法。

目前世界上，垃圾处理方法无外乎是卫生填埋、焚烧、堆肥等几种。

然而，无论是填埋、焚烧或是堆肥，还是以此衍生出的其他方法，都存在缺陷和不足。

填埋是一种非常简单的技术，且大多数填埋场没有层以上严密的防渗漏措施，垃圾渗出液会污染地下水及土壤，时间久了还会发生沼气爆炸等事故；焚烧技术会产生比垃圾灾难更可怕的二恶英，这种毒气会导致人和动物患癌症；堆肥技术缺点更加突出，无害化程度也很低[1]。

根据世界银行发表的中国环境报告测算，每年中国环境污染造成的损失高达亿美元,占全国GDP的8%,几乎抵消了我国的年经济增长。

城市生活垃圾中一般含有大量的纤维素，随着人们生活水平的日益提高，它在垃圾中的比例也在不断增大[2]。

而且纤维素具有紧密的结晶结构，使其具有很强的不可降解性，积累过多会导致环境负担，所以就需要一种切实有效的方法去消除或利用它。

目前我国城市垃圾年产量达到亿吨以上，且有继续增长的态势。

我国年产亿的城市垃圾中，被丢弃的“可再生资源”价值高达亿元之多，但是这些资源没有被很好的回收利用。

据北京、大连、广州、杭州等城市垃圾分类发现，在这些垃圾中55%~73%是食物。

而大多数城市生活垃圾其实可以作为一种潜在资源，只要合理的加以回收和利用，就可以变废为宝，这样既可以带来丰富的资源，减轻我国的能源危机，又可以减少污染，改善了环境卫生。

所以城市生活垃圾的再生利用在目前的环境保护和资源危机形态中显得尤为重要，迫切需要一种科学合理的方法处理城市生活垃圾，为城市垃圾的再生利用和开发新能源寻找出一条新的途径。

实践证明，纤维废弃物再生资源化有着良好的经济效益和社会效益，大大减轻对环境的污染，对大气污染减少60%~70%；生物耗氧量减少40%；污水中悬浮物减少25%；固体垃圾减少70%；节约用水50%，相应地污水排放量亦减少；节约能源60%~70%等[3]。

（二）废纸产生的资源浪费和利用价值

中国的森林覆盖率为14%，而我国国民生活中所用的大多数纸张仍然来源于国内森林砍伐所制得的原生木浆。

我国目前的废纸回收率仅为20-30%，每年流失废纸约600万吨，相当于浪费森林资源100万亩。

回收废纸不仅有利于节约资源，保护环境，而且有利于城市经济的良性循环。

废纸的用途很多，回收利用的价值很高。

利用废纸最广泛的途径是制造再生纸，废纸不仅可以用来制作再生包装纸，还可以用来制造再生新闻纸；日本王子造纸公司成功研究出将废纸溶于苯酚，进而用于生产酚醛树脂的新技术；在新加坡等地，人们利用废旧报纸书刊制作地毯，坐垫，门帘，茶几甚至躺床等家庭用具，不仅美观，而且十分实用；前捷克斯洛伐克的科技人员，在温度为80?

的条件下，采用五层废纸和合成树脂用于压制胶合硬纸板，有着很高的抗压强度；印度中央建筑研究院的科技人员，利用废纸、棉纱头、椰子纤维和沥青等为原料，模压出新型建筑材料沥青瓦楞板，这种材料不仅隔热性能好，不透水，轻便，成本低，而且不易燃烧，耐腐蚀；瑞典伦道大学的专家将废纸打成浆，再添加厌氧微生物后移入反应炉用于生产甲烷；美国阿拉巴马州的部分牧场，由于土壤板结，该州专家詹姆斯·爱德沃兹根据废纸在土壤中不会很快变质的特性，采用废纸碎屑和鸡粪改善牧场土质；英国科技人员用废纸培育平菇，获得了很大的经济效益；用于废纸屑比较卫生，与锯末和稻草相比有害物质较少，水汽含量也很低，所以近年来美国和西欧国家已经用废纸代替了干草，锯末作为牲畜栏内的铺垫物；部分废纸还可以用来加工制作成牛羊饲料。

多数纸类制品含有大量的纤维素，价格低廉,在造纸的过程中已经脱去了大部分的木质素和半纤维素,具有较好的可水解性,是用来发酵的优良原料。

但是并不是所有的纸类都适合用于发酵，这和废纸中生物质的特性有关。

因此对纸类的适当选择能够提高发酵的工作效率。

（三）废纸用于发酵乙醇的研究背景

由于化石能源的枯竭和加重的环境问题，有必要寻找替代能源。

其中一个办法是酒精燃料，目前获得的途径主要来自玉米和甘蔗发酵。

目前为止，燃料乙醇发酵生产的主要成本花费来自于培养基，作为人和动物的消费品玉米和糖的价格也越来越高。

有一种相对廉价易得的替代目前培养基生产乙醇的材料就是是纤维素生物质，原料如废新闻纸，办公用纸以及城市固体废物[4]。

城市生活垃圾中一般包括大量的废弃纸制品，随着人们生活水平的日益提高，它在垃圾中的比例也在不断增大。

目前国内外关于燃料乙醇的研究大多集中在农业、林业等富含木质纤维素的废物,而用废纸作原料制取乙醇的研究很少。

从20世纪90年代至今，有越来越多的国内外学者对废弃纸类中所含的生物质进行研究，尤其进入21世纪以来，相关文献数量明显增多，检测生物质含量及特性的方法也向着多样化发展，为发酵研究奠定了很好的基础。

2004年，天津科技大学和大连轻工业学院对纤维素酶水解纤维素类废弃物进行了研究并发表了相关文章，提出了对纸类废弃物的利用。

2007年，由栗薇，吴正舜等国内学者对纤维素类废弃物的水解做出了进一步的研究[5]。

如今，纤维素类废弃物的酶解研究已经扩散到了林农业，粮食与饲料工业，合成纤维工业以及各类产品加工业，前景良好。

纤维素的酶水解反应条件温和、易于控制、产物质量高,因而备受人们关注。

利用纤维素酶的催化反应代替高温、高压的化学反应可节约能源、降低生产成本,提高原料的利用率,在净化环境和开辟新能源等方面具有重要的意义[6-13]。

废弃纤维素发酵生产乙醇的技术主要包括预处理、水解、发酵三大步骤。

而废弃纤维素转化为燃料乙醇的关键是寻找有效的途径将纤维素和半纤维素水解为葡萄糖和木糖等可溶性发酵糖。

目前，废弃类纤维素水解的方法主要有化学酸水解和生物酶水解两种途径。

稀酸水解是溶液中的氢离子和纤维素上的氧原子相结合,使其变得不稳定,容易和水反应,纤维素长链既在该处断裂,同时又放出氢离子,从而实现纤维素长链的连续解聚，直到分解成为最小的单元葡萄糖[14]。

浓硫酸水解工业化时间较早，工艺较成熟，糖的水解得率高，但浓硫酸水解时由于耗酸浓度大，需要回收加以重新利用。

目前，硫酸回收或处理的方法主要有：

链烷醇萃取、阴离子交换膜透析、石灰石中和、离子排斥色谱法、模拟移动床连续分离酸液和糖液等。

浓硫酸的回收利用不但可以避免对环境带来的污染，而且可以有效地降低生产成本。

此外，还有部分学者对使用浓氢氟酸，乙酸，稀硝酸和稀磷酸水解的方法进行了研究。

酸水解中，稀酸水解所需时间短，酸用量少，一般不需对酸回收，但温度较高，高温下纤维素的水解往往伴有木糖、葡萄糖的降解，某些降解产物对糖液的发酵有害；浓酸水解可在常温、常压下进行，糖产率高，副产物少，然而，由于浓酸的腐蚀性强，采用浓酸水解必然对设备材质要求