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《天津大学》 2010年
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纤维素酶高效水解、回收再用与反应机理的研究

张名佳  
【摘要】:针对燃料乙醇生产中酶解糖化工段低效率、高成本问题,本论文以农林废弃物玉米芯为原料,探究纤维素酶解历程反应机制,开发了多酶复配工艺提高酶解效率,高浓底物反应提高乙醇浓度,利用底物重吸附法实现了纤维素酶回收再用,最后考察了酶膜反应器在木质纤维素酶解工艺中的应用。 1.反应机理研究:①纯纤维素,以微晶纤维素和滤纸纤维素酶解过程固态剩余物为研究对象,利用色谱、光谱手段跟踪酶解历程,剖析酶解机理。发现CBH对纤维素结晶区逐层剪切,是酶效率低的主要原因;EG快速随机剪切。底物在水解过程中刚性变大,分子间和分子内氢键增强。②木质纤维素,在微观尺度考察了葡萄糖和木糖释放动力学曲线;介观尺度测定固体残余物分子量和分子尺寸分布、结晶度及氢键改变程度。 2.多酶复配:纤维素酶和β-葡萄糖苷酶适宜添加量分别为每克纤维素30 FPU和30 CBU。补加木聚糖酶或果胶酶可提高葡萄糖和木糖得率,果胶酶更优,添加0.12 mg蛋白,24 h葡萄糖和木糖得率提高了12.9%和29.3%。 3.高浓底物同步糖化共发酵:重组菌Z. mobilis可同时利用葡萄糖和木糖产醇;将该工程菌用于玉米芯同步糖化共发酵工艺中,通过条件优化得初始底物浓度15%下,接种量0.30 g/L,pH 5.5,30 oC,乙醇浓度达49.24 g/L,乙醇得率85.18%;采用补料量为10%时,得到了高乙醇浓度为60.52 g/L。 4.高浓底物同步糖化发酵:耦合预处理可去除大量半纤维素和木质素,提高底物纤维素含量和体积密度,有利于高浓底物给料;H2SO4-NaOH预处理,给料浓度19%,补料量每4 h补料1%,共补料6%条件下,得96 h乙醇浓度为84.7 g/L,大大超过了乙醇精馏经济性运行要求。 5. SSF后酶的重吸附回收:考察了酶解与SSF过程中纤维素酶的吸/脱附行为;通过工艺条件优化,得给料浓度15%,加酶量每克纤维素30FPU,pH5.0条件下,连续两轮SSF单位反应器中纤维素转化和乙醇生产分别为未回收酶的2.1和1.8倍;纤维素酶剂量为每克纤维素45 FPU时,两轮乙醇浓度均保持在42 g/L,可实现两轮半连续SSF生产。 6.半连续分批补料酶膜反应器的构建及应用:将半连续分批补料酶膜反应器应用于氨水浸泡和硫酸-氢氧化钠H2SO4-NaOH玉米芯酶解反应,单位体积反应器产生葡萄浓度为37.5 g/L和121.5 g/L,分别是间歇补料方式下的1.52和1.74倍,是间歇酶膜反应器的2.07和2.84倍。
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