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《天津大学》 2007年
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玉米秸秆纤维素酶水解研究及响应曲面法优化

杨静  
【摘要】: 农作物秸秆的主要有机成分半纤维素和纤维素经水解可转化为以木糖为主的五碳糖和以葡萄糖为主的六碳糖,获得的五碳糖和六碳糖是发酵工业和化学工业及其它工业部门的重要原料。因此,水解是秸秆资源利用的关键步骤。 本文选择秸秆资源中的玉米秸秆为代表物,对影响其纤维素酶水解的五个关键因素:酶浓度、底物浓度、温度、pH和反应时间进行了研究。在单因子实验的基础上,利用响应曲面法中的旋转中心组合设计对水解工艺进行了优化。建立了玉米秸秆酶水解的还原糖产量(因变量)与五个因素(自变量)的二次多项式回归模型,该模型高度显著,拟合优度良好。借助SAS软件对模型方程分析,得出优化的酶水解条件为:酶浓度57.50FPU/g底物,底物浓度64.72g/L,温度47.94℃,pH4.78,反应时间49.05h,此条件下还原糖产量46.34g/100g底物。与单因子实验得出的最佳水解条件相比,响应曲面优化后的酶水解条件酶浓度降低了2.5FPU/g底物,底物浓度提高了14.72g/L,反应时间缩短了22.95h,同时还原糖产量提高4.37个百分点。 为了进一步提高酶水解效率,对玉米秸秆进行了预处理,然后酶水解。选取可以有效水解半纤维素的稀酸预处理方法,以期达到后续酶水解的有利进行和玉米秸秆中半纤维素和纤维素的充分利用。以最大限度地水解半纤维素同时尽可能地保留纤维素为目的,确定了不同温度下玉米秸秆稀酸预处理的优化条件。80℃下稀酸预处理的优化条件为:硫酸浓度4.2%,反应时间177min;100℃下稀酸预处理的优化条件为:硫酸浓度2.4%,反应时间100min;121℃下稀酸预处理的优化条件为:硫酸浓度2%,反应时间43min。 选取120℃下的预处理样进行单因子实验并在此基础上,利用响应曲面法对三个不同温度下的预处理的玉米秸秆的酶水解进行了优化,分别建立了预处理后玉米秸秆酶水解的还原糖产量(因变量)与五个因素(自变量)的二次多项式回归模型,所得模型均高度显著,拟合优度良好。借助SAS软件对模型方程分析,分别得出三个不同温度下稀酸预处理后玉米秸秆优化的酶水解条件。 80℃下稀酸预处理后玉米秸秆酶水解的优化条件为:酶浓度22.33FPU/g底物,底物浓度76.46g/L,温度48.28℃,pH4.79,反应时间36.81h,此条件下还原糖产量38.21 g/100g底物。100℃下稀酸预处理后玉米秸秆酶水解的优化条件为:酶浓度22.24FPU/g底物,底物浓度78.68g/L,温度49.12℃,pH4.78,反应时间36.9h,此条件下还原糖产量40.84g/100g底物。121℃下稀酸预处理后玉米秸秆酶水解的优化条件为:酶浓度21.95FPU/g底物,底物浓度77.04g/L,温度48.93℃,pH4.78,反应时间37.72h,此条件下还原糖产量41.22 g/100g底物;与单因子实验得出的最佳水解条件相比,响应曲面优化后的酶水解条件酶浓度降低了3.05FPU/g底物,底物浓度提高了17.04g/L,反应时间缩短了22.28h,同时还原糖产量提高4.52个百分点。 100℃下玉米秸秆稀酸预处理,木糖的选择性较好;与直接酶水解相比,预处理后酶水解的玉米秸秆总糖产量提高7.03个百分点,增幅最大,而且与直接酶水解的优化条件相比,酶浓度降低了35.26FPU/g底物,底物浓度提高了13.96g/L,反应时间缩短了12.15h。121℃下玉米秸秆稀酸预处理,木糖的选择性最高;与直接酶水解相比,预处理后酶水解的玉米秸秆总糖产量提高6.11个百分点,而且与直接酶水解的优化条件相比,酶浓度降低了35.55FPU/g底物,底物浓度提高了12.32g/L,反应时间缩短了11.33h。80℃下玉米秸秆稀酸预处理,木糖的选择性较差;与直接酶水解相比,预处理后酶水解的玉米秸秆总糖产量没有明显提高,但与直接酶水解的优化条件相比,酶浓度降低了35.17FPU/g底物,底物浓度提高了11.74g/L,反应时间缩短了12.24h。研究表明稀酸预处理可以缩短后续酶水解的反应时间,减少酶用量,提高底物转化率。 本研究证明响应曲面法优化玉米秸秆纤维素酶水解和稀酸预处理后玉米秸秆酶水解工艺是合理有效、切实可行的,得到的优化条件有利于玉米秸秆的转化生产还原糖。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ352

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【参考文献】
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