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《华南理工大学》 2011年
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木质生物质SPORL预处理后酶水解和固液共发酵及同步产纳米纤维素的研究

罗小林  
【摘要】:基于目前生产成本过高仍然是制约木质生物质生产燃料乙醇难以实现工业化的根本性问题。其中,造成成本过高主要体现在预处理能耗较高以及预处理液难以利用或处理,纤维素酶生产成本较高和中高浓的酶水解效率较低,可高效而稳定代谢五碳糖的微生物种类较少,常规发酵微生物对乙醇和糠醛类抑制剂的耐受程度仍然不高,生产生物乙醇过程中的副产物的利用效率较低等方面。本论文主要考察影响木质生物质酶水解的主要因素及其定量关系,预处理后固液共发酵的可行性以及结合酶水解工艺过程同步制备纳米纤维素。目的在于阐明木质生物质预处理和酶水解的机制,提高生物乙醇工艺过程之间的协调与统筹以及过程能量输出效率,为提高利用木质生物质来生产乙醇提供理论依据和技术支持。 论文首先阐明了木质生物质可及性对预处理后木质生物质中纤维素的酶水解效率的影响及给出两者之间的定量数学关系。以酸性亚硫酸盐法预处理(SPORL)松木和杨木得到的、从未干燥和湿压的固体基质,以及未干燥和湿压的桉木硫酸盐漂白浆为原料,通过不同程度的干燥和湿压,使得这些原料的可及性分布在一定的范围,证实可及性确实是影响木质生物质酶水解效率的主要因素之一;当以保水值(WRV)表征木质生物质的可及性时,波尔兹曼方程(Boltzmann)可准确地定量描述酶水解效率(SED)与可及性(WRV)之间的数学关系。通过对该方程赋予物理意义后分析发现,该方程中的特征参数WRV (为有效酶分子尺寸的函数)可作为木质生物质可及性是否发生显著降低的判定依据;木质生物质对纤维素酶的可及性主要受纤维细胞壁内表面积的影响,而非外表面积;当不改变木质生物质的化学组分的情况下(如角质化过程中),木质生物质酶水解效率仅与其对纤维素酶的可及性有关,而与角质化引起可及性变化的处理方式无关;另外,在角质化过程中可及性是影响酶水解效率的唯一因素。 论文系统的分析了影响木质生物质中高浓酶水解的主要因素及提出相应的解决办法。实验结果表明,底物浓度分布在8%到22%范围时,酶水解效率随着底物浓度的增加而呈直线下降的趋势。当底物浓度低于22%时,纤维素酶和水解产物的传质并不是影响中高浓酶水解效率的最主要影响因素。将18%底物浓度单独进行酶水解和同步糖化和发酵的葡聚糖转化率分别为60%和75%,这说明酶水解产物(主要是葡萄糖)是影响中高浓酶水解效率的主要因素。同时,SPORL Low pH和稀酸(DA)预处理得到固体基质在2%底物浓度时的酶水解效率相近;在18%底物浓度时,SPORL low pH和DA产生固体基质单独酶水解及同步酶水解和发酵的效率分别为60%、75%以及28%和50%,这进一步说明, SPORL low pH预处理杨木所产生固体基质酶水解和后续同步糖化和发酵的特性优于稀酸预处理产生固体基质的特性。 论文阐明了蠹虫和真菌侵害的松木生产生物乙醇的可行性。将SPORL预处理应用于经蠹虫侵害的松木时发现,侵害后松木中葡聚糖和聚甘露糖的相对含量提高了三个百分点,酶水解效率高出5%-20%,葡聚糖的回收率可提高4%-8%;蠹虫侵害后死亡四年(以BD4标识)和未经侵害(以BL标识)松木在SPORL预处理后固体基质同步糖化和发酵以及预处理液脱毒处理后单独发酵的总乙醇产量分别为267L/t和250L/t绝干原料,前者的最终能量输出效率比后者高出约7%;在中和处理后无任何脱毒处理的前提下,SPORL预处理后固液也可以进行共发酵,BD4的净能量输出效率比BL高出35%左右。这说明蠹虫和真菌侵害后葡聚糖和聚甘露糖相对含量增加的部分可在SPORL预处理、糖化和发酵后有效地转变为乙醇。 论文优化了SPORL预处理松木的工艺条件,提高了预处理后固液共发酵的效率。从SPORL预处理过程中固体基质和液体特性随预处理温度、时间以及硫酸和亚硫酸氢钠用量的变化规律可知,提高预处理的剧烈程度可在一定范围内提高残余固体中纤维素的酶水解效率,增加固液中可发酵六碳糖的回收率,但过度预处理则会产生相反的结果。从提高乙醇产率的角度,最优的SPORL预处理的硫酸和亚硫酸氢钠用量以及预处理温度和时间分别为0.31% (v/v)、5.5% (w/w)、180℃和38min。但此条件与以2%底物浓度时固体基质的酶水解转化率与酶解液和预处理液中葡聚糖和甘露聚糖的回收率作为判定指标得到的优化条件不同。这说明,除可发酵糖的回收率外,还有其它因素影响SPORL预处理松木后固液共发酵的效率。进一步的实验还发现,在羟甲基糠醛和糠醛浓度不是很高(分别低于1.3 g/L和2.0g/L)的时候,两者对SPORL预处理后酿酒酵母(命名为FPL450)的固液共发酵效率没有产生明显的影响,而预处理液中残余SO2是发酵产乙醇的主要影响因素。同时,在低浓度固液共发酵过程中,最终能量输出效率随着液比的增加不断下降;然而在底物浓度高于20%以上时,为使预处理液中糠醛和羟甲基糠醛浓度不超过发酵微生物的耐受极限,同时保证过程能量输出效率不降低,预处理的液比不得低于2.5,控制在2.5到3范围内较为合适。 论文提出了在生产生物乙醇工艺过程中同步制备纳米纤维素的新模式。酶水解过程中,无定形区纤维素被大量水解后,酶水解效率随酶水解时间延长和纤维素酶用量增加而不断降低,而此时留下的纤维素主要由结晶纤维素组成。从而提出生产生物乙醇工艺过程中同步制备纳米纤维素,实验结果证实,无定形纤维素的水解效率较高,水解液中葡萄糖发酵产乙醇的效率接近91%,经过酶水解后的纤维素可大大降低均质化处理制备纳米纤维素的能耗,从而证明了同步生产生物乙醇和纳米纤维素该工艺的可行性。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ223.122

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