废竹质纤维预处理及其酶解的研究

论文摘要

竹质纤维作为一种丰富且廉价的纤维资源,可以代替有限的粮食原料发酵生产燃料乙醇,在开发新能源和环境保护等方面具有重要的经济效益和社会效益。以植物纤维为原料生产乙醇的主要问题在于木质纤维素必须经过预处理和纤维素酶水解,探索合理的预处理技术和揭示预处理过程中的变化是解决问题的关键。本文以木质纤维素原料竹粉生产还原糖为研究方向,探讨了原料粒径、预处理时间、温度、pH对原料纤维素、半纤维素、木质素及预处理残渣的影响。研究了纤维素酶水解条件,酶解pH、底物组分及浓度、酶量、水解时间对酶水解还原糖产率的影响。针对竹质纤维机构致密,难于直接被酶水解的特点,分别采用机械破碎法、热处理对竹质纤维进行预处理。结果表明,经机械破碎后原料纤维素、半纤维素和木质素含量并未发生大变化,说明其结合层虽并未破坏,但提高了酶水解的还原糖产量,当竹质纤维粒径为106μm-180μm时,还原糖产率达到27.85mg/g,约为粒径>380μm原料酶水解产率的3倍。这说明机械破碎改变了竹质纤维的比表面积,增加了酶的可及性,从而促使原料还原糖产率的增加。在pH6.0条件下,竹粉经20℃、80℃、100℃、120℃、180℃热处理后样品的纤维素含量随着预处理温度的升高而增加,当温度从20℃上升到120℃时,纤维素含量从40.27%增加至48.8%,半纤维素和木质素则呈反向关系,含量分别从26.10%、23.33%下降至20.46%和20.42%,去除效果不是很明显。当预处理温度上升到180℃时纤维素、半纤维素和木质素含量分别达到59.36%,10.88%和16.92%。在120℃热处理温度处理下,纤维素含量随热处理pH值减小而增加,半纤维素、木质素含量则呈反向关系。改变热处理pH值可对半纤维素的去除有很好的效果,去除率可达32.53%,同时木质素去除率达15.71%。本实验选用经pH值为4.0醋酸醋酸钠溶液处理48h,在温度120℃下热处理40min处理后样品为后续酶水解底物。由扫描电镜（SEM）)可以观察到经预处理后样品,经预处理后样品,其结构表面变得疏松,出现层层剥离现象,孔径增多、增大;经pH6.0、180℃处理后样品,其表面孔径几乎完全破裂,但可以发现破碎的碎片周围呈现规则的圆弧状,原本的小孔都已经破碎。对预处理竹质纤维残渣的酶水解进行研究,结果表明,竹质纤维最佳酶解条件为:pH为4.8,温度为50℃。考察纤维素酶添加量在0.1mL-1.0 mL时酶水解状况,结果表明,随着纤维素酶量的增加,还原糖产量最初呈增加趋势,但由于纤维素酶自身含有较高还原糖量,酶量进一步增加后,还原糖产量不仅没有增加,反而呈下降趋势,添加纤维素酶量为0.5mL时酶水解还原糖产量达到最高。考察底物浓度在0.2g/10mL-1.5 g/10mL范围内酶水解状况,结果表明,还原糖含量随着底物浓度的增加而增加,但还原糖产率却减少。当底物浓度达到1.0g/10mL时,酶水解速率明显降低,因此在本实验中以底物浓度为1.0g/10mL为最佳底物浓度。考察酶解时间在0h-96h酶水解状况,结果表明酶解反应初期均能以较高速度进行,随着反应时间的增加还原糖产量增加,但是当反应时间达到48h后,酶反应速率慢慢降低,趋于平缓。产用补料酶解,在最终底物浓度为1.5g/10mL,酶解96h后还原糖产量达到69.38mg,分批补料酶解工艺大大缩短了反应时间,提高了生产效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 研究目的及创新点
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 课题创新点
• 第二章 文献综述
• 2.1 概述
• 2.2 燃料乙醇国内外发展现状
• 2.3 废木质纤维素结构及能源化途径
• 2.3.1 一般木质纤维素结构
• 2.3.2 竹质纤维结构
• 2.3.3 废木质纤维素能源化途径
• 2.4 木质纤维原料的预处理
• 2.4.1 物理法
• 2.4.2 化学法
• 2.4.3 物理化学法
• 2.4.4 生物法
• 2.5 木质纤维原料的水解
• 2.5.1 酸水解处理
• 2.5.2 酶催化水解处理
• 2.6 木质纤维原料的发酵
• 2.7 废木质纤维素能源化存在的问题
• 2.7.1 预处理存在的问题
• 2.7.2 水解存在的问题
• 2.8 本课题主要研究内容
• 第三章 竹质纤维预处理技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 主要试剂
• 3.2.3 试剂配制
• 3.2.4 主要仪器设备
• 3.3 分析方法和实验方案
• 3.3.1 DNS比色法测定还原糖
• 3.3.2 毛竹成分测定
• 3.3.3 实验方案
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 DNS法标准曲线绘制和回归方程的确定
• 3.4.2 竹质纤维组分分析
• 3.4.3 粒径对竹质纤维组分的影响
• 3.4.4 热处理时间对竹质纤维组分的影响
• 3.4.5 热处理温度对竹质纤维组分的影响
• 3.4.6 热处理pH值对原料组分的影响
• 3.4.7 热处理温度对残渣干重的影响
• 3.4.8 预处理样品红外光谱的分析
• 3.4.9 预处理样品电镜扫描（SEM）)观察
• 3.5 本章小结
• 第四章 竹质纤维酶水解的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 主要试剂
• 4.2.3 试剂配制
• 4.3 分析方法和实验方案
• 4.3.1 DNS比色法测定还原糖
• 4.3.2 毛竹成分测定
• 4.3.3 酶活测定
• 4.3.4 酶水解
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 pH值对酶活性的影响
• 4.4.2 水解温度对酶活性的影响
• 4.4.3 酶量对酶水解的影响
• 4.4.4 底物浓度对酶水解的影响
• 4.4.5 时间对酶水解的影响
• 4.4.6 补料对酶水解的影响
• 4.4.7 原料粒径对还原糖产量的影响
• 4.4.8 底物组分与还原糖产量的关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录