木质生物质SPORL预处理后酶水解和固液共发酵及同步产纳米纤维素的研究

论文摘要

基于目前生产成本过高仍然是制约木质生物质生产燃料乙醇难以实现工业化的根本性问题。其中,造成成本过高主要体现在预处理能耗较高以及预处理液难以利用或处理,纤维素酶生产成本较高和中高浓的酶水解效率较低,可高效而稳定代谢五碳糖的微生物种类较少,常规发酵微生物对乙醇和糠醛类抑制剂的耐受程度仍然不高,生产生物乙醇过程中的副产物的利用效率较低等方面。本论文主要考察影响木质生物质酶水解的主要因素及其定量关系,预处理后固液共发酵的可行性以及结合酶水解工艺过程同步制备纳米纤维素。目的在于阐明木质生物质预处理和酶水解的机制,提高生物乙醇工艺过程之间的协调与统筹以及过程能量输出效率,为提高利用木质生物质来生产乙醇提供理论依据和技术支持。论文首先阐明了木质生物质可及性对预处理后木质生物质中纤维素的酶水解效率的影响及给出两者之间的定量数学关系。以酸性亚硫酸盐法预处理（SPORL）松木和杨木得到的、从未干燥和湿压的固体基质,以及未干燥和湿压的桉木硫酸盐漂白浆为原料,通过不同程度的干燥和湿压,使得这些原料的可及性分布在一定的范围,证实可及性确实是影响木质生物质酶水解效率的主要因素之一;当以保水值（WRV）表征木质生物质的可及性时,波尔兹曼方程（Boltzmann）可准确地定量描述酶水解效率（SED）与可及性（WRV）之间的数学关系。通过对该方程赋予物理意义后分析发现,该方程中的特征参数WRV （为有效酶分子尺寸的函数）可作为木质生物质可及性是否发生显著降低的判定依据;木质生物质对纤维素酶的可及性主要受纤维细胞壁内表面积的影响,而非外表面积;当不改变木质生物质的化学组分的情况下（如角质化过程中）,木质生物质酶水解效率仅与其对纤维素酶的可及性有关,而与角质化引起可及性变化的处理方式无关;另外,在角质化过程中可及性是影响酶水解效率的唯一因素。论文系统的分析了影响木质生物质中高浓酶水解的主要因素及提出相应的解决办法。实验结果表明,底物浓度分布在8%到22%范围时,酶水解效率随着底物浓度的增加而呈直线下降的趋势。当底物浓度低于22%时,纤维素酶和水解产物的传质并不是影响中高浓酶水解效率的最主要影响因素。将18%底物浓度单独进行酶水解和同步糖化和发酵的葡聚糖转化率分别为60%和75%,这说明酶水解产物（主要是葡萄糖）是影响中高浓酶水解效率的主要因素。同时,SPORL Low pH和稀酸（DA）预处理得到固体基质在2%底物浓度时的酶水解效率相近;在18%底物浓度时,SPORL low pH和DA产生固体基质单独酶水解及同步酶水解和发酵的效率分别为60%、75%以及28%和50%,这进一步说明, SPORL low pH预处理杨木所产生固体基质酶水解和后续同步糖化和发酵的特性优于稀酸预处理产生固体基质的特性。论文阐明了蠹虫和真菌侵害的松木生产生物乙醇的可行性。将SPORL预处理应用于经蠹虫侵害的松木时发现,侵害后松木中葡聚糖和聚甘露糖的相对含量提高了三个百分点,酶水解效率高出5%-20%,葡聚糖的回收率可提高4%-8%;蠹虫侵害后死亡四年（以BD4标识）和未经侵害（以BL标识）松木在SPORL预处理后固体基质同步糖化和发酵以及预处理液脱毒处理后单独发酵的总乙醇产量分别为267L/t和250L/t绝干原料,前者的最终能量输出效率比后者高出约7%;在中和处理后无任何脱毒处理的前提下,SPORL预处理后固液也可以进行共发酵,BD4的净能量输出效率比BL高出35%左右。这说明蠹虫和真菌侵害后葡聚糖和聚甘露糖相对含量增加的部分可在SPORL预处理、糖化和发酵后有效地转变为乙醇。论文优化了SPORL预处理松木的工艺条件,提高了预处理后固液共发酵的效率。从SPORL预处理过程中固体基质和液体特性随预处理温度、时间以及硫酸和亚硫酸氢钠用量的变化规律可知,提高预处理的剧烈程度可在一定范围内提高残余固体中纤维素的酶水解效率,增加固液中可发酵六碳糖的回收率,但过度预处理则会产生相反的结果。从提高乙醇产率的角度,最优的SPORL预处理的硫酸和亚硫酸氢钠用量以及预处理温度和时间分别为0.31% （v/v）、5.5% （w/w）、180℃和38min。但此条件与以2%底物浓度时固体基质的酶水解转化率与酶解液和预处理液中葡聚糖和甘露聚糖的回收率作为判定指标得到的优化条件不同。这说明,除可发酵糖的回收率外,还有其它因素影响SPORL预处理松木后固液共发酵的效率。进一步的实验还发现,在羟甲基糠醛和糠醛浓度不是很高（分别低于1.3 g/L和2.0g/L）的时候,两者对SPORL预处理后酿酒酵母（命名为FPL450）的固液共发酵效率没有产生明显的影响,而预处理液中残余SO2是发酵产乙醇的主要影响因素。同时,在低浓度固液共发酵过程中,最终能量输出效率随着液比的增加不断下降;然而在底物浓度高于20%以上时,为使预处理液中糠醛和羟甲基糠醛浓度不超过发酵微生物的耐受极限,同时保证过程能量输出效率不降低,预处理的液比不得低于2.5,控制在2.5到3范围内较为合适。论文提出了在生产生物乙醇工艺过程中同步制备纳米纤维素的新模式。酶水解过程中,无定形区纤维素被大量水解后,酶水解效率随酶水解时间延长和纤维素酶用量增加而不断降低,而此时留下的纤维素主要由结晶纤维素组成。从而提出生产生物乙醇工艺过程中同步制备纳米纤维素,实验结果证实,无定形纤维素的水解效率较高,水解液中葡萄糖发酵产乙醇的效率接近91%,经过酶水解后的纤维素可大大降低均质化处理制备纳米纤维素的能耗,从而证明了同步生产生物乙醇和纳米纤维素该工艺的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 生物乙醇研究的重要性
• 1.1.2 目前生物乙醇的生产动态及主要来源
• 1.1.3 开发木质生物乙醇的必要性及其所涉及的主要工艺过程
• 1.2 木质生物质酶水解的主要影响因素
• 1.2.1 基于木质生物质的影响因素
• 1.2.2 基于纤维素酶的影响因素
• 1.2.3 其它影响因素
• 1.3 通过预处理来提高木质生物质酶水解效率
• 1.3.1 木质生物质天然的顽抗性（Recalcitrance）
• 1.3.2 预处理对木质生物质物理结构特性的影响
• 1.4 生物乙醇生产工艺的整体优化与整合
• 1.4.1 生物乙醇自身生产工艺的优化与整合
• 1.4.2 基于生物乙醇开发其它高附加值产品
• 1.5 问题的提出及本论文的研究目标
• 1.5.1 生物乙醇生产过程存在的主要瓶颈
• 1.5.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 木质生物质可及性的变化对其酶水解效率的影响
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料和药品
• 2.1.2 仪器
• 2.1.3 亚硫酸盐法预处理
• 2.1.4 预处理后固体基质的抄片、干燥及回湿
• 2.1.5 酶水解
• 2.1.6 分析与检测
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 实验的重现性
• 2.2.2 手抄片定量对基质酶水解效率的影响
• 2.2.3 干燥过程对基质SED 的影响
• 2.2.4 用WRV 表征干燥过程木质生物质固体基质可及性的变化及其与SED 的关系
• 2.2.5 使用Simons 染色法评价干燥过程对SED 的影响
• 2.2.6 湿压过程对浆料WRV 的影响
• 2.2.7 湿压过程对浆料SED 的影响
• 2.2.8 用纤维素酶吸附量评价湿压对浆料可及性及其SED 的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 底物浓度对木质生物质酶水解的影响
• 3.1 实验原料及方法
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 用于酶水解固体基质的制备
• 3.1.3 预处理后固体基质的中高浓酶水解
• 3.1.4 同步和分步酶水解和发酵
• 3.1.5 木片中碳水化合物含量、酶水解产生葡萄糖和发酵产乙醇浓度的测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 实验的重现性
• 3.2.2 酶水解效率与底物浓度之间的关系
• 3.2.3 高剪切搅拌时间对中高浓酶水解效率的影响
• 3.2.4 纤维素酶加入量对中高浓酶水解效率的影响
• 3.2.5 水解产物对水解酶的抑制
• 3.2.6 SPORL 与DA 预处理杨木后固体基质中高浓酶水解和发酵的区别
• 3.3 本章小结
• 第四章 SPORL 预处理蠹虫和真菌侵害的黑松所得固体糖化和固液共发酵产乙醇
• 4.1 实验原料及方法
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 SPORL 预处理及磨浆
• 4.1.3 预处理后固体基质的纤维素酶水解
• 4.1.4 预处理液的脱毒处理
• 4.1.5 预处理后预处理液单独发酵、固体同步酶解和发酵以及固液共发酵
• 4.1.6 主要糖和抑制物的测定
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 蠹虫侵害对松木SPORL 预处理及其后续酶水解的影响
• 4.2.2 蠹虫侵害对松木产乙醇效率的影响
• 4.2.3 SPORL 预处理后固液共发酵
• 4.3 本章小结
• 第五章 改进SPORL 预处理来提高木质生物质固液共发酵的效率
• 5.1 实验原料及方法
• 5.1.1 实验原料和试剂
• 5.1.2 预处理及预处理后固体基质的磨浆
• 5.1.3 预处理后固体基质的酶水解
• 5.1.4 预处理后固体基质酶水解和后续固液共发酵
• 5.1.5 主要糖和抑制物及残余化学品浓度的测定
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 不同预处理方法应用于松木时作用效果的比较
• 5.2.2 SPORL 预处理过程中固体基质和预处理液特性的变化规律
• 5.2.3 生物乙醇生产效率判定指标的非统一性
• 5.2.4 残余502对发酵产乙醇效率的影响
• 5.2.5 通过低液比SPORL 预处理来提高最终产乙醇的过程能量输出效率
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于木质生物乙醇生产工艺同步制备纳米纤维素的研究
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 原料和药品
• 6.1.2 仪器与设备
• 6.1.3 酶水解及发酵
• 6.1.4 酶法分离后固体结晶度及聚合度的测定
• 6.1.5 高压微射流法制备纳米纤维素
• 6.1.6 纳米纤维素的电子显微镜观察
• 6.1.7 纳米纤维素膜的制作及其性能的检测
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 纤维素酶水解效率随水解时间及酶用量的变化
• 6.2.2 纤维素底物结晶度及聚合度随酶水解时间的变化
• 6.2.3 酶水解液发酵过程中乙醇及葡萄糖浓度的变化
• 6.2.4 酶水解条件对纤维素外观形态的影响
• 6.2.5 基于生物乙醇工艺来生产纳米纤维素
• 6.2.6 酶水解过程对机械法生产纳米纤维素的促进作用
• 6.2.7 纳米纤维素膜的物理性能
• 6.3 本章小结
• 结论
• 本论文的创新之处
• 对未来工作的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评定意见