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纸浆污泥纤维素酶水解糖化与增效工艺及机理的研究

吕健  
【摘要】:纸浆污泥是制浆造纸工业的主要固体废弃物,含有约40%~60%的纤维素资源,可以作为生产纤维素乙醇的原料。相对木质纤维素原料,纸浆污泥具有价格低廉、纤维结构疏松等优点。纸浆污泥通过纤维素酶水解发酵乙醇,将会拓宽生物质乙醇的原料来源,同时,减小纸浆污泥排放对环境造成的压力,是工业废弃物一种极具潜力的能源转化方式。本论文以纸浆纤维为底物,探讨了纤维素酶在纤维上的吸附以及酶水解过程中一系列物理和化学的变化,建立了纸浆污泥酶水解的动力学模型,为纸浆污泥的酶水解提供理论依据。另外,提出了一种使用阳离子聚合物,提高纤维素酶水解效率的新方法,可以大大降低酶解糖化的生产成本。 纤维素酶在纤维上的吸附是酶水解反应的第一步。纤维素酶在纤维上吸附60 min时基本达到吸附平衡;纤维素酶吸附的过程满足二级吸附动力学模型,可表示为(?)的形式;纤维素酶在纤维上的吸附平衡满足Langmuir等温吸附;纤维素酶在短纤维上有最大的吸附量,而在长纤维上的吸附平衡常数最大,最易达到吸附平衡。纤维素酶吸附的热力学研究表明,纤维素酶吸附过程的吉布斯自由能△G°小于0,是自发过程,吸附同时存在物理吸附和化学吸附;吸附的反应焓变△H?为负值,表明吸附为放热过程;吸附的反应熵变△S°大于0,表明纤维素酶的吸附是不可逆的。纤维素酶在48目纤维上有最大的吸附焓变△H°,在28目纤维上有最大的吸附熵变△S°。反应温度、pH值和溶液中的离子强度是影响纤维素酶活力的主要因素。工业用纤维素酶可使用的温度为40~60℃,pH值为3~7,离子强度为20~100 mmol/L(以柠檬酸浓度表示)。响应面法优化漂白木浆酶水解的结果表明,经条件优化后,可溶糖转化率最大可达81.5%;葡萄糖转化率最大可达54.3%。木浆纤维在酶水解过程中,纤维形态是不断变化的,纤维长度和扭结角随酶水解时间的增加而减小,但漂白针叶木浆纤维和漂白阔叶木浆纤维形态的变化有明显的不同,而且两种纤维葡萄糖和可溶性糖的溶出速率也不同。纸浆的游离度和回用次数也是影响纤维酶水解的因素,游离度越低,水解效率越高;回用次数越多,水解效率越低。纤维素酶降解纤维是吸附和催化两个过程的综合作用,在实验温度范围内,纤维素酶的吸附与温度呈负相关关系,而纤维素酶的催化活性与温度呈正相关关系,两者的综合作用造成了不同长度的纤维酶水解与温度的依赖关系不同。细小纤维的酶水解更容易受到温度的影响,而长纤维的酶水解受温度的影响很小。酶水解活化能的计算证明了不同长度的纤维底物受温度影响的差异。因此,酶水解工业中应避免盲目升温到50℃进行酶水解而带来不必要的能量消耗。 阳离子聚丙烯酰胺以电荷补丁或电荷桥接的机理,增加纤维素酶分子在纸浆纤维上的吸附,进而提高酶水解效率。中等电荷量(40%)、低分子量(约3.4~4.5 MDA)的阳离子聚丙烯酰胺,用量为250 mg/L对增加纸浆纤维酶水解效率的效果最明显。适宜的搅拌强度可以提高阳离子聚丙烯酰胺存在时,纤维素酶水解的效率,实验表明,反应器中流体的雷诺数Re为298时最佳。当纤维被切断到一定程度后即延迟添加阳离子聚丙烯酰胺,也可提高聚合物的作用效果。阳离子聚丙烯酰胺对酶水解的促进作用具有广泛性,同样适用于淀粉酶水解系统。 纸浆污泥经过纤维素酶处理后,长纤维被切断成短纤维,提高了纤维粒子间结合的紧密程度,减少脱水后滤饼的孔隙率,增加其固含量,提高率最高可达6%。阳离子聚丙烯酰胺的加入可以减小脱水的阻力。纤维素酶提高纸浆污泥脱水固含量的方法,其投入和产出在经济上可达到平衡,随着纤维素酶性价比的提高以及污泥处理费用的持续增高,该方法有望得到广泛应用。 纸浆污泥酶水解系统中加入少量的氯胺T,可抑制反应过程中细菌的增长,并保持纤维素酶的活性。调节系统初始的pH值很重要,可使酶水解过程的pH值保持在对纤维素酶适宜的范围内。根据纸浆污泥酶水解的机理,建立酶水解过程的动力学模型:(?)。利用该模型,可根据初始纤维素酶用量和酶水解时间,准确预测酶水解的转化率。纸浆污泥酶水解在工厂的中试表明,500 mg/L用量的阳离子聚丙烯酰胺可以使葡萄糖产量和可溶性糖产量分别提高32%和24%,将为企业带来良好的经济效益。


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