不同预处理工艺对稻壳纤维素酶酶解效果的影响

论文摘要

本文对纤维素酶酶解稻壳的预处理工艺进行了研究,广泛研究了温和条件下多种化学预处理方法,物理预处理方法,白腐菌的生物预处理方法以及多因子联合预处理方法对稻壳的纤维素酶酶解的效果的影响,结果如下:1.选用了稀酸,稀NaOH,Ca（OH）2,氨水,H2O2等几个化学试剂在常温常压下对稻壳进行了酶解前的预处理,并对这几种试剂的预处理条件进行了优化。结果表明,这几种处理均能提高稻壳的酶解效率,其预处理的效果次序为NaOH＞稀硫酸＞稀盐酸＞Ca（OH）2＞氨水＞H2O2,最好的效果为稀NaOH,1.5%NaOH处理6h后,稻壳的酶解总糖得率可达29.6%。的虽然稀酸的预处理效果也较好,但其会带来大量的半纤维素组分损失。还进行了H2O2/NaOH联合碱氧化处理和酸碱联合处理（氨水/H2SO4）两种多化学因子的联合处理实验。结果表明,这种多因子的联合处理效果明显好于单因子处理。其中碱氧化预处理效果最好,在1.5%的NaOH与0.6%的H2O2碱氧化溶液配比,固液比为1/10,在30℃处理48h,处理后酶解总糖得率可达45.5%。并且进行了碱氧化处理的处理液循环利用实验,结果表明,经过3次滤液回用,可以节省大约28%的NaOH的用量。2.进行了超声波和微波两种物理方法对稻壳的酶解前预处理实验,结果表明,超声波和微波在不改变稻壳组分含量的情况下,能提高稻壳的酶解效率。其中微波的处理效率要高于超声波处理。700W的超声功率时,处理30min,处理后酶解可以获得28.3%的总糖得率。还进行了超声波和微波分别结合稀酸和稀碱的物理与化学因子联合预处理实验。从处理后酶解得糖率分析,这几种预处理的效果依次为微波稀酸＞微波稀碱＞超声波稀碱＞超声波稀酸＞微波处理＞超声波处理。虽然微波稀酸处理后稻壳酶解总糖得率略高于微波稀碱处理,但由于其会降解较多的纤维素和半纤维素,因而总体比较,微波稀碱处理效果要好于微波稀酸处理。1%的NaOH结合700W功率的微波处理20min,处理后稻壳的酶解得糖率为38.7%。3.选取了糙皮侧耳AM-035和草菇AM-066两株白腐菌对进行稻壳的酶解预处理实验,结合处理过程中稻壳组分的变化,菌的木质素降解酶类的产酶情况和处理后稻壳的酶解情况,对预处理条件进行了优化。结果表明两株菌均能有效的提高稻壳的酶解效果,糙皮侧耳的处理效果要好于草菇。用糙皮侧耳处理30d,稻壳酶解得糖率可以达到29.8%,但也会引起20%的纤维素组分和52%的半纤维素组分的损失。处理周期过长和纤维素和半纤维素组分的损失是制约白腐菌预处理进行广泛应用的主要瓶颈。还进行了双菌株联合处理实验,结果表明,这两株菌的联合处理效果要低于二者单独进行处理时的效果。4.选取了H2O2和超声波两种方法分别与糙皮侧耳进行了两步的联合预处理实验。这种联合预处理工艺可以有效地缩短糙皮侧耳的预处理时间,进而也可以减少稻壳纤维素与半纤维素组分的损失。常温常压下,2%的H2O2处理稻壳48h,再进行18d的糙皮侧耳处理,处理后酶解总糖得率可达39.8%,高于糙皮侧耳单独处理60d后稻壳的酶解得糖率（36.7%）,纤维素与半纤维素的损失却比后者低（纤维素的降解率分别为15.7%和28.1%,半纤维素的降解率分别为44.2%和77.3%）。对联合处理过程中菌的木质素降解酶的产酶情况进行了考察,并对稻壳的结构变化进行了SEM观察。结果表明,联合处理对白腐菌的处理效果的提高的主要原因是第一步处理时对稻壳的结构产生的破坏,提高了木质素降解酶类对木质素的可及度,进而提高了木质素的降解效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 木质纤维原料生产乙醇的研究概况
• 1.1.1 木质纤维素原料
• 1.1.2 木质纤维素的主要组分和结构
• 1.1.3 木质纤维原料生产乙醇的研究进展
• 1.1.4 木质纤维原料生产乙醇的工艺
• 1.2 酶解木质纤维原料的预处理工艺
• 1.2.1 木质纤维原料预处理的意义和目的
• 1.2.2 物理预处理法
• 1.2.3 化学预处理法
• 1.2.4 生物预处理法
• 1.2.5 多因子综合预处理法
• 1.3 稻壳开发利用的进展
• 1.3.1 稻壳的形态结构和性质
• 1.3.2 稻壳发电
• 1.3.3 稻壳制取吸附材料
• 1.3.4 稻壳生产化工产品与生物制剂
• 1.3.5 稻壳饲料
• 1.3.6 稻壳肥料
• 1.4 本研究的立题背景及研究目的
• 第二章 几种化学因子预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 2.1 前言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 化学分析
• 2.2.1.1 含水量分析（GB/T 6435-1994）
• 2.2.1.2 灰分含量测定（GB/T 6438-1992）
• 2.2.1.3 稻壳木质素含量的测定（熊素敏等,2005）
• 2.2.1.4 稻壳中的纤维素含量测定（熊素敏等,2005）
• 2.2.1.5 稻壳的半纤维素含量的测定（熊素敏等,2005）
• 2.2.1.6 总还原糖测定（DNS法测定）
• 2.2.1.7 葡萄糖含量测定（葡萄糖氧化酶-比色法,GB/T 16285-1996）
• 2.2.2 纤维素酶酶活测定
• 2.2.2.1 滤纸酶活测定（filter paper activity,FPA）
• 2.2.2.2 CMC酶活测定（filter paper activity,FPA）
• 2.2.2.3 纤维二糖酶活力测定
• 2.2.3 材料
• 2.2.4 实验方法
• 2.2.4.1 纤维素酶酶解稻壳的方法
• 2.2.4.2 稻壳的稀酸预处理工艺
• 2.2.4.3 稻壳的稀氢氧化钠预处理工艺
• 2.2.4.4 稻壳的氢氧化钙预处理工艺
• 2.2.4.5 稻壳的氨水预处理工艺
• 2.2.4.6 稻壳的过氧化氢预处理工艺
• 2.2.4.7 稻壳的温和碱氧化（氢氧化钠/过氧化氢）预处理工艺
• 2.2.4.8 稻壳的酸碱结合处理工艺
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 稀酸预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.1.1 稀酸预处理浓度对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.1.2 稀酸预处理反应时间对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.1.3 稀酸加入量对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.2 稀氢氧化钠预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.2.1 稀氢氧化钠预处理浓度对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.2.2 稀氢氧化钠预处理时间对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.2.3 稀氢氧化钠加入量对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.3 稀氢氧化钙预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.4 氨水预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.5 过氧化氢预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.6 氢氧化钠/过氧化氢温和碱氧化预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.6.1 氢氧化钠/过氧化氢碱氧化预处理与二者分别单独预处理效果的比较
• 2.3.6.2 氢氧化钠/过氧化氢碱氧化预处理时间对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.3.6.3 氢氧化钠/过氧化氢碱氧化预处理条件的正交优化
• 2.3.6.4 氢氧化钠/过氧化氢碱氧化法预处理后废液的回收和重复利用实验
• 2.3.7 氨水/稀硫酸酸碱两步法联合预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 2.4 小结与讨论
• 第三章 几种物理或理化方法预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 化学分析（同第二章）
• 3.2.2 材料
• 3.2.3 纤维素酶酶解稻壳方法（同第二章）
• 3.2.4 实验方法
• 3.2.4.1 超声波预处理稻壳工艺
• 3.2.4.2 超声波稀酸预处理稻壳工艺
• 3.2.4.3 超声波稀碱预处理稻壳工艺
• 3.2.4.4 微波预处理稻壳工艺
• 3.2.4.5 微波稀酸预处理稻壳工艺
• 3.2.4.6 微波稀碱预处理工艺
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 超声波预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 3.3.2 超声波稀酸处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 3.3.3 超声波稀碱预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 3.3.4 微波预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 3.3.5 微波稀酸预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 3.3.6 微波稀碱预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 3.4 小结与讨论
• 第四章 白腐菌生物预处理对稻壳纤维素酶酶解效果的影响
• 4.1 前言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.3 化学分析方法（同第二章）
• 4.2.4 纤维素酶酶解稻壳方法（同第二章）
• 4.2.5 木质素降解酶类的酶活性测定方法
• 4.2.6 固体培养中酶液的提取方法
• 4.2.7 固态培养预处理条件的优化工艺
• 4.2.7.1 固态培养含水量的优化
• 4.2.7.2 固态培养的培养温度的优化
• 4.2.7.3 碳源和氮源对菌株预处理效果的优化
• 4.2.7.4 白腐菌预处理稻壳金属离子添加量的优化
• 4.2.8 单菌株预处理稻壳的工艺
• 4.2.9 双菌株联合预处理稻壳的工艺
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 单菌株预处理时固态培养的条件的优化
• 4.3.1.1 固态培养含水量的优化
• 4.3.1.2 固态培养的培养温度的优化
• 4.3.1.3 碳源和氮源的优化
• 4.3.1.4 白腐菌预处理稻壳金属离子添加量的优化
• 4.3.2 白腐菌单菌株预处理稻壳过程的分析
• 4.3.3 白腐菌双菌株联合预处理对稻壳纤维素酶酶解的影响
• 4.4 小结与讨论
• 第五章 温和的物化因子和白腐菌对稻壳的联合预处理工艺
• 5.1 前言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 化学分析方法（同第二章）
• 5.2.3 纤维素酶酶解稻壳方法（同第二章）
• 5.2.4 实验方法
• 5.2.4.1 糙皮侧耳（Pleurotus ostreatus）AM-035长周期处理工艺
• 5.2.4.2 超声波或过氧化氢与白腐菌两步法联合处理稻壳工艺
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 糙皮侧耳（Pleurotus ostreatus）AM-035长周期预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 5.3.2 超声波或过氧化氢与糙皮侧耳两步法联合预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响与预处理机理分析
• 5.3.2.1 第一步预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响
• 5.3.2.2 第二步预处理对稻壳纤维素酶酶解效果影响与机理分析
• 5.4 小结与讨论
• 参考文献
• 致谢
• 博士在读期间发表与待发表论文