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《华中科技大学》 2011年
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木质纤维素大分子白腐菌改性机制及热解性质研究

杨雪薇  
【摘要】:随着石化能源日益枯竭和能源需求逐渐增加,生物质能源成为重要发展方向,其中预处理关键技术—白腐菌生物改性技术因其绿色、环保、低耗等技术特征备受关注。因此对于目前少见报道的白腐菌改性天然木质素机理,及白腐菌改性对生物质热化学性质影响进行深入研究很有必要!本论文研究了不同白腐菌改性木质素纤维素大分子机理及其与木质纤维素热解性质变化联系,并对木质素改性效果最显著的乳白耙菌Ⅰ. lacteus CD2改性后的天然木质素结构变化、热解性质变化进行了研究,明晰了Ⅰ. lacteus CD2改性木质素改性机理及其与木质素热解之间的联系,同时对乳白耙菌Ⅰ. lacteus CD2的特殊胞外木质素改性酶学机理进行了研究。 通过对不同白腐菌改性后木质纤维素组分变化,元素分析和红外光谱(FTIR)进行研究,结果表明不同白腐菌对天然木质纤维素大分子均有显著的改性作用。白腐菌对木质纤维素超分子的解构作用不仅体现在对木质素苯环结构的破坏,纤维素结晶度的降低,半纤维素结构的改性作用,更重要的是能够断裂木质素苯环间连键及与半纤维素,纤维素之间的连键(如LCC酯键),使生物质大分子结构破坏,释放出用于生物质能源炼制的底物纤维素和半纤维素。 通过对不同白腐菌改性对木质纤维素热化学性质(TG/DTG)及Py-GC/MS产物影响进行研究,结果表明白腐菌改性有利于木质纤维素热解反应进行,如白腐菌改性可降低玉米秸秆反应活化能5.8%-9.5%,促进玉米秸秆中纤维素和木质素热解效率使其反应起始及达到热解速率峰值温度分别下降9-15℃和20-36℃。另外白腐菌改性作用可显著影响热解产物的种类和产量。生物质白腐菌改性后,热解糠醛和苯酚类物质含量可分别提高6.0和2.1倍,减少二氧化碳排放39.6%;白腐菌改性过程中,木质素的脱甲氧基作用使甲氧基苯酚类物质含量减少;木质纤维素侧链结构的破坏使二聚体或多聚体热解产物有所减少且更易产生单体产物。 将Ⅰ. lacteus CD2改性天然木质素进行分离,对其组分、元素变化及结构(FTIR、1'H-NMR、13C-NMR)改变进行分析与研究,结果表明Ⅰlacteus CD2通过氧化反应对天然木质素进行显著改性,如将木质素中的苯环和共轭酯键结构转化,形成大量的共轭和非共轭羰基,所产生羟基加氧作用和脱甲氧基作用破坏木质素中的β-5'和5-5'碳键连接、p-O-4醚键及木质素的结构单元松柏基中的C=C双键和愈创木基和紫丁香基结构单元等导致木质素分子结构破坏。 乳白耙菌Ⅰ. lacteus CD2改性木质素对热化学性质(TG/DTG/DTA)及Py-GC/MS产物影响研究结果表明:乳白耙菌改性作用可促进木质素热解反应进行,对木质素热解产物种类和含量有显著影响。Ⅰ. lacteus CD2改性可促进木质素热解放热效应,提高热解反应速率1.1-1.4倍,反应初始和反应后期的反应活化能分别降低45.9%和40.6%,有利于热解反应起始和快速反应的进行。Ⅰ. lacteus CD2改性后木质素热解产物种类含量显著变化,如苯酚类和苯环类物质含量分别显著增加2.92倍和1.27倍,产生醇类物质含量高达3.73%,在中低温热解过程中产生了木质素高温热解产物4-乙烯基-2-甲氧基苯酚且含量高达6.23%;通过破坏LCC键和脱甲氧基作用,减少糠醛、苯并呋喃和二甲氧基苯类物质含量。由此初步揭示了白腐菌改性生物质及木质素的分子机理及对热解反应及产物的正面影响。 采用SDS-PAGE、LC/MS及GC/MS分析,对乳白耙菌Ⅰ. lacteus CD2改性木质素胞外酶学及木质素改性机理研究结果表明,乳白耙菌的胞外酶改性体系是一种独特的非传统木质素改性酶主导的改性体系。天然木质纤维素对Ⅰ. lacteus CD2胞外酶分泌影响显著,在含天然木质纤维素培养基上Ⅰ. lacteus CD2可产生大量转葡基酶、纤维素酶、用于改性植物细胞壁的胼胝质β-1,3外切酶、和非木质素改性酶主导的氧化酶。相对应的Ⅰ.lacteus CD2胞外酶液对木质素模型化合物改性程度达到最高达60.8%。 本论文从超分子结构变化与解构角度,明晰了白腐菌改性天然木质纤维素大分子机理及与热解反应性质与产物的联系,不仅为生物质生物预处理提供了相应的理论基础,而且首次通过探究木质纤维素白腐菌改性与热解性质变化间的联系,为生物质热解优化和产物的定向富集提供了理论依据;对显著改性木质素的乳白耙菌Ⅰ.lacteus CD2特殊胞外改性体系及机理的揭示,进一步为明晰白腐菌木质素改性生化机理、构建高效胞外木质素改性体系奠定了理论基础。
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