亚硫酸氢盐预处理提高阔叶木纤维素的可水解性

论文摘要

目前,全世界都在致力于发展基于纤维素酶水解的木质纤维素生物质精炼,用以生产可替代石油产品的生物燃料和生物化学品。化学预处理是提高木质纤维素酶水解的效率以及整个过程经济可行性的关键技术。亚硫酸氢盐预处理已被证明是从生物质中分离出半纤维素和部分木素的有效手段,不仅如此,预处理还显著地降低了生物质的尺寸,因而极大地提高了纤维素对酶的可及性。但针对葡萄糖、木糖和总糖得率进行的亚硫酸氢盐处理过程优化则至今鲜有报道。本论文系统地研究了亚硫酸氢盐预处理提高阔叶木生物质酶水解的可及性。深入地探讨了如何解除纤维素酶-木素无效结合从而进一步地提高预处理生物质可水解性。在第二章中,首先使用多元非线性回归分析对化学品用量、最高温度和保温时间等预处理变量进行了优化。对桉木葡萄糖酶水解得率的优化条件为:H2SO4 0.2% （v/v）,NaHSO3 4% （w/w）,最高温度187°C,保温时间15.2 min。回归模型预测的预处理后生物质水解葡萄糖和总糖得率分别是100%和90%,这一结果与在相同化学品用量,温度180°C,时间30 min的预处理条件下得到的实验数据非常接近。但对木糖得率或单糖总得率的优化条件与上述葡萄糖得率的优化条件有显著差别。这表明,木质生物质存在着水解阻抑的多分散性（PPBR）。PPBR是木质纤维素的固有性质,它造成了酶水解葡萄糖得率和预处理木糖得率的最优预处理条件的互不相同。本文提出了PPBR的定量表示方法,其数值大小还取决于生物质中木聚糖和葡聚糖含量之比（XG）。就桉木的亚硫酸氢盐预处理而言,PPBR比较小,因此,某些预处理变量在一定范围内不会引起单糖得率的明显变化。而特别对XG较高的生物质而言,PPBR的概念有助于设计两段预处理以期同时获得最大葡萄糖和木糖的得率。在第三章中,针对木素磺酸盐、糠醛和羟甲基糠醛等生物抑制剂的生成进行了条件优化。由于常用的高效液相色谱法分析糠醛和羟甲基糠醛过于耗时,本章首先建立了衰减全反射（ATR）-UV光谱法以快速同步分析亚硫酸氢盐废液中三种生物抑制剂的浓度。在分析过程中加入表面活性剂或NaOH可以消除木素在ATR传感器上吸附而造成的干扰。分别采用单波长和双波长校正法可计算木素磺酸盐的浓度,两种方法得到的数据非常接近,这表明,亚硫酸氢盐废液中的HSO3-或SO32-离子不足以造成明显的干扰。使用双波长校正法还能得到总糠醛物质的浓度,但糠醛和羟甲基糠醛各自的浓度则需要进行三波长校正。通过ATR-UV光谱分析发现约50%的木素磺酸盐和30%的糠醛类物质在预处理升温阶段即已生成。预处理无需很高的H因子即可达到脱木素的目的。但结合第二章中酶水解反应的结果可以认为,半纤维素的溶出对纤维素酶水解可及性的提高比脱木素更为重要。在第四章中,首先研究了木素对纤维素酶的无效结合抑制作用。加入0.1 g·L-1木素磺酸盐会造成纤维素水解率减少15%,而硫酸盐木素和溶剂木素因不可溶性和疏水性而抑制程度较小。木素磺酸盐和溶剂木素对预处理生物质水解率的降低最多能达到27%和11%。热水洗涤能有效地除去吸附在预处理生物质表面的溶出木素。最大可洗涤木素量与洗涤温度成线性关系。98°C热水洗涤可节约40%的纤维素酶用量。加入Ca（II）或Mg（II）至最终浓度10 mmol·L-1也能几乎完全消除溶出木素对纤维素酶的抑制作用,不仅如此,Ca（II）和Mg（II）也能降低预处理生物质中组成木素对纤维素酶的无效结合。对于未洗涤的杨木预处理生物质,Ca（II）或Mg（II）能节约30%左右的纤维素酶,其对纤维素酶水解率的提高效果与25°C彻底洗涤的效果相当,并明显优于添加15 mg·g-1底物的Tween 80或10 mg·g-1底物的牛血清蛋白。因此,使用Ca（II）或Mg（II）可以省去预处理后的洗涤操作,并相应地节省了洗涤用水以及纤维素酶的用量。在第五章中,建立了在线UV-Vis光谱法可以快速、实时地监测纤维素酶在纤维素或木质纤维素底物上的吸附。利用横向过滤技术解决了木质纤维进入流动体系堵塞比色皿的问题。使用两种光谱分析法消除了细小纤维引起的散射和木素引起的吸收对分析测试的干扰。以280nm作为蛋白质定量的主波长。对于纤维素和木质纤维素分别用500和255 nm作为副波长进行双波长校正。对光谱进行二阶微分也可以消除细小纤维和木素的干扰。两种UV-Vis光谱分析法得到的纤维素酶吸附量与间歇取样- Bradford分析法的结果一致,但后者不能排除木素的干扰。带纤维素结合域（CBD）的内切纤维素酶EGV在纤维素和木质纤维素底物上的吸附都遵循准二阶动力学方程,而不含CBD的EGI每间隔7min左右即发生一次明显的脱附。通过轻敲式原子力显微镜的对比研究,作者提出,CBD使得内切纤维素酶颗粒在纤维素微细纤维上发生特异性结合并阻止了这些颗粒的相互缔合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 木质纤维素生物质精炼
• 1.1.1 木质纤维素
• 1.1.2 生物质精炼的概念、途径和平台
• 1.2 基于纤维素酶水解的生物质精炼
• 1.2.1 过程描述
• 1.2.2 生物质酶水解的抑制因素
• 1.3 生物质预处理技术
• 1.3.1 热处理
• 1.3.2 酸性预处理
• 1.3.3 碱性预处理
• 1.3.4 溶剂预处理
• 1.3.5 氧化性预处理
• 1.3.6 离子液体预处理
• 1.3.7 生物预处理
• 1.4 亚硫酸盐生物质预处理
• 1.4.1 亚硫酸盐制浆
• 1.4.2 亚硫酸盐生物质预处理
• 1.4.3 亚硫酸盐废液的利用
• 1.5 本论文的研究意义和主要内容
• 参考文献
• 第二章 桉木亚硫酸氢盐预处理条件的优化
• 2.1 前言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 亚硫酸氢盐预处理
• 2.2.3 纤维素酶水解
• 2.2.4 化学成分分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 单糖得率的计算方法
• 2.3.2 植物生物质水解阻抑的多分散性（PPBR）
• 2.3.3 不同预处理方式对桉木酶水解可及性的提高
• 2.3.4 表观最佳预处理条件
• 2.3.5 多元非线性回归优化预处理条件
• 2.3.6 PPBR 对优化预处理条件的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 亚硫酸氢盐预处理中生物抑制剂的生成
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 亚硫酸氢盐预处理
• 3.2.3 预处理生物质表面酸性基团的测定
• 3.2.4 木素磺酸盐的分析
• 3.2.5 衰减全反射（ATR） UV-Vis 光谱分析
• 3.2.6 高效液相色谱分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 木素磺酸盐的分析方法
• 3.3.2 ATR-UV 光谱法
• 3.3.3 亚硫酸氢盐预处理过程中生物抑制剂的生成
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 木素-纤维素酶无效结合作用的解除
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 热水洗涤
• 4.2.3 纤维素酶水解
• 4.2.4 分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 溶出木素对纤维素酶的抑制作用
• 4.3.2 亚硫酸氢盐生物质的热水洗涤
• 4.3.3 金属离子解除木素-纤维素酶无效结合的作用
• 4.3.4 Ca（II）和Mg（II）对预处理生物质酶水解效率的提高
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 纤维素酶与木质纤维素的相互作用
• 5.1 前言
• 5.2 实验
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 纤维素酶吸附动力学的在线测定
• 5.2.3 Bradford 法测定纤维素酶的吸附
• 5.2.4 吸附动力学模型
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 UV-Vis 实时测量纤维素酶吸附方法的建立
• 5.3.2 UV-Vis 实时测量酶吸附方法的影响因素
• 5.3.3 内切纤维素酶的吸附动力学
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 6.1 本研究的主要结论
• 6.2 本研究的特点与创新之处
• 6.3 对未来工作的建议
• 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