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木质纤维素生物质的水溶性组分生物炼制应用与纳米纤维素制备

韩昫身  
【摘要】:木质纤维素生物质在自然界分布广泛,其可再生、产量大且目前大部分未得到高效利用。随着石化资源的日益枯竭与粮食问题的日益严峻,对木质纤维素进行高值化利用以生产生物能源、生物基化学品与生物基材料,成为本世纪的研究热点。在木质纤维素生物炼制的糖平台和纳米纤维素生产平台,其核心步骤均为对木质纤维素进行高效解聚以克服其生物顽抗性,进而获得可发酵糖或者纳米纤维素材料;此外,在目前主流的生物炼制工艺研究中,对木质纤维素生物质所含的除纤维素、半纤维素及木质素之外的水溶性组分鲜有关注,如何充分利用这些组分诸如水溶性碳水化合物及B族维生素,成为了亟需解决的问题。本文首先针对木质纤维素生物质的不规范特性所导致的生物炼制预处理效率的不稳定,提出了稳定预处理解聚效率的方法。其次,研究了木质纤维素生物质所含的丰富的水溶性碳水化合物和B族维生素对生物炼制过程的影响,探索了水溶性碳水化合物及B族维生素的利用策略,为生物炼制糖平台拓展了新的着眼点和研究思路。最后,在木质纤维素生物炼制生产纳米纤维素的过程中,首次尝试了酶法促进高木质素含量的机械浆解聚以制备含木质素的纳米纤维素,并探究了不同酶发挥的作用。本文第一部分提出了稳定预处理效率的方案,并实现了后续高效稳定的生物转化。农作物秸秆中的灰分含量变化频繁,严重影响了基于酸的预处理效率的稳定性。本章提出基准pH调节法,将不同灰分含量的物料滴定至其基准pH值,得到该灰分含量物料预处理过程所需的酸用量,本方法可以实现木质纤维素原料预处理及生物转化效率的稳定,并普遍的推广到不同生物质原料(玉米秸秆、麦秆、稻草)的加工及不同发酵产品(乙醇及乳酸)的生产,具备工业化应用价值。本文第二部分针对木质纤维素生物质中水溶性碳水化合物在预处理过程降解产生较多5-羟甲基糠醛(HMF)的问题,提出了其生物转化利用的概念并有效实施。农作物秸秆特别是玉米秸秆中含有一定量的水溶性碳水化合物如葡萄糖和果糖,这些糖在常规预处理及脱毒工段中会降解或随废水流出。本章首先在原料储存工段对玉米秸秆进行固态发酵,将水溶性碳水化合物转化为L-乳酸,接着将含有乳酸的秸秆进行干法生物炼制,转化利用纤维素及半纤维素生产同样的L-乳酸产品。最终预处理后HMF的生成显著降低,脱毒时间大幅缩短,且最后得到的L-乳酸浓度从130.2 g/L提高至139.0 g/L。本章为生物炼制糖平台生产生物基化学品提供了一种重要的工艺选择。本文第三部分将水溶性碳水化合物的利用方案应用至玉米秸秆蒸汽处理过程。蒸汽处理可以有效解聚木质纤维素结构并提高秸秆水解转化率,但会带来水溶性碳水化合物的降解及HMF的产生。本章在蒸汽处理前的原料储存工段进行固态发酵将水溶性糖转化为乳酸,再进行乳酸催化的蒸汽处理。相比于单纯的蒸汽处理,更多的半纤维素在预处理过程被水解为单糖与寡糖,后续纤维素的酶水解转化率有所提高,且预处理后HMF生成量降低。本章探索了转化利用水溶性碳水化合物对秸秆蒸汽处理效果的促进。本文第四及第五部分关注了玉米秸秆中另一种重要的水溶性组分——B族维生素,其在预处理及脱毒过程易降解或随废水流出,在常规生物炼制工艺中往往被忽视。第四部分以L-乳酸发酵过程为例,说明了干法生物炼制技术保留的这些B族维生素可以有效促进L-乳酸发酵,特定添加玉米秸秆水解液中含量不足的泛酸(B5)及烟酸(B3),获得了更快的L-乳酸生产速率及更高的得率。本研究以先前鲜有关注的B族维生素利用为切入点为生物炼制糖平台拓展了新的原料利用方案,对综合利用木质纤维素生物质以降低外源营养添加成本有指导意义。本文第五部分使用微生物法从木质纤维素生物质中对生物素(生物素B7)进行富集提取,并制备了高生物素含量的发酵营养添加剂。木质纤维素原料选用玉米叶,其生物素含量(1217.4μg/kg)远高于玉米秆(143.9μg/kg),干法生物炼制技术可以将这些生物素基本完全转移进入糖化后制备的水解液中。谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum S9114对玉米叶水解液中生物素的摄取能力强,过表达生物素转运基因bio YMN可以有效提高其生物素摄取量及摄取速率,使胞内生物素含量最高可达303.8 mg/kg干细胞,远高于酵母粉(~2 mg生物素/kg)等常用的发酵营养添加剂,且该玉米叶中获得的生物素可应用于谷氨酸发酵过程。本章创造了一条使用微生物法从木质纤维素原料中提取生物素的独特工艺,为木质纤维素生物质的高值化利用开辟了一条全新的技术路线。本文第六、七部分的研究有别于前五部分在生物炼制糖平台的相关研究,这两部分试图利用酶法解聚木质纤维素原料以促进纳米纤维素生产。以机械浆为原料制备的含木质素的纳米纤维素与疏水材料兼容性强,且基于初始木材生物质的得率高,然而其生产需要极高的机械处理能耗,使用化学法辅助机械法处理所需的试剂昂贵且环境污染严重。由于机械浆纤维中木质素及半纤维素的存在,温和且专一性强的酶法难以促进其纳米纤维化。第六部分首先通过中性磺化的方法增加机械浆的纤维素酶可接近性,之后采用诺维信纤维素酶CTec 3进行处理,成功的促进了机械浆纤维解聚且回收了副产物可发酵糖,并在机械处理后获得了较为均一的含木质素的纤维素纳米纤丝(LCNF)。本章提供了一个以机械浆为原料生产LCNF与可发酵糖的重要方法。本文第七部分主要探究了内切葡聚糖酶(EG)与辅助酶(木聚糖酶、甘露聚糖酶及多糖裂解单加氧酶(LPMO))对于机械浆纳米纤维化的促进作用。本章发现木质素及半纤维素的存在限制了内切葡聚糖酶的效果;半纤维素酶特别是木聚糖酶可以显著协助内切葡聚糖酶,促进机械浆纳米纤维化;LPMO可以在纤维上加入一定量的羧基,促进机械浆纳米纤维化,但作用效果有限。本章对不同酶在机械浆纳米纤维化中发挥的作用进行了初步探索。综上,本文实现了木质纤维素生物质在预处理过程的稳定解聚,并针对木质纤维素生物质中丰富的水溶性碳水化合物及B族维生素提出了相应的几个利用策略,最后在纳米纤维素制备过程中探索了酶法对机械浆解聚的促进。本文为利用木质纤维素生物质生产生物能源、生物基化学品及生物基材料提供了重要的理论依据和技术支持。


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