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《南京林业大学》 2017年
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木质纤维原料醋酸催化制取低聚木糖及其纤维素酶水解

张红玉  
【摘要】:本文采用温和、易回收的醋酸作为催化剂定向催化木聚糖及其相关原料以制取低聚木糖,分别建立了醋酸催化黏胶纤维生产废弃物木聚糖、玉米芯碱抽提木聚糖、玉米芯、玉米秸秆及小麦秸秆原料制取低聚木糖的最适工艺条件。在此基础上,研究了醋酸预处理对玉米芯原料纤维素酶水解性能的影响及其酶水解技术,并探索了醋酸催化制取低聚木糖液的减压蒸发及纳滤分离与纯化技术,以实现农业秸秆木质纤维资源的聚糖组分的清洁、高效和全质化利用。主要研究结果如下:以33.77 g/L黏胶纤维生产废弃木聚糖为底物,在20%醋酸浓度和140℃条件下处理20min,低聚木糖得率达到45.86%。以30 g/L的玉米芯木聚糖为底物,在醋酸添加量10%和140℃条件下处理30 min,低聚木糖的得率可达到39.70%。在醋酸催化两种来源木聚糖制取低聚木糖的各个工艺条件因素中,对低聚木糖得率的影响强度顺序为:反应温度反应时间醋酸浓度。在固液比1:3.5-7的范围内,以20%醋酸溶液在150℃条件下直接催化1 kg玉米芯原料30 min,低聚木糖得率均超过42%木聚糖,原料产率达到12%以上,且副产物少,产品得率指标为当前本领域的最高技术水平。在相同工艺条件下,醋酸直接催化小麦秸秆原料的低聚木糖得率为36.60%木聚糖,原料产率达8.78%,而以玉米秸秆为原料的低聚木糖得率仅为25.08%木聚糖,原料产率为5.85%,且副产物相对较高。基于HPAEC-PAD对低聚木糖成分组成的分析结果显示,与酶法制备产物主要生成木二和木三糖的降解特征不同,醋酸催化木聚糖及上述富含木聚糖的原料会同时生成木二糖至木八糖组分,其中木二糖、木三糖和木四糖的含量较高,其次是木五糖和木六糖,同时还含有少量的木七糖和木八糖组分。在相同的酸度条件下,采用醋酸催化玉米芯原料的低聚木糖得率显著高于盐酸或者硫酸催化剂,并且能够极显著地提高玉米芯的纤维素酶水解性能。电子扫描电镜观察结果显示,相比于盐酸和硫酸催化剂,醋酸预处理会使玉米芯纤维表面产生了更大的比表面积和更多的微孔以有利于纤维素酶水解,采用20 FPU纤维素酶/g纤维素水解20%醋酸预处理玉米芯72 h,纤维素酶水解得率即可高达91%,酶水解生产效率为纤维素酶水解领域的最高水平。采用醋酸催化和纤维素酶水解集成技术可以实现农业秸秆木质纤维原料中的半纤维素和纤维素的高效生物转化,实现低聚木糖和可发酵性葡萄糖的联产。1 kg玉米芯原料经20%醋酸于150℃条件下处理30 min可制得139.8 g低聚木糖;固体渣再经过15 FPU/g纤维素酶水解72 h后可制得328.1 g葡萄糖、25.1 g纤维二糖和73.1 g木糖。原料中纤维素和半纤维素制得可发酵性糖和低聚木糖的产率分别达到96.1%和45.9%。在真空度为0.01 MPa和70℃的减压蒸发条件下,浓缩低聚木糖液10倍回收97.3%醋酸催化剂,再采用纳滤技术即可实现100%醋酸催化剂回收,同时充分脱除甲酸、糠醛和羟甲基糠醛杂质,木糖脱除率超过75.0%。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O636.1;TQ353

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