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预处理原料中可抽出组分的分析及对糖化发酵的影响

贾亚琼  
【摘要】:经济的快速发展给环境保护带来压力,为了环境与经济的协调发展,寻找可持续的清洁能源更加迫切,因为木质纤维素原料丰富的来源和可再生性,纤维素乙醇被认为是一种极具发展潜力的新型清洁能源。木质纤维素有天然的抗性,需要经过预处理来打破致密复杂的结构,改善酶解性能。经过预处理后的原料,其纤维素,半纤维和木素都有不同程度的变化,也会产生可抽出的复杂组分,从而影响原料化学组分含量的测定和后续的酶解糖化发酵过程。而准确测定出三大组分含量以及了解预处理原料的酶解糖化发酵性能,对研究生物质转化具有重要的意义。基于以上原因,论文研究了预处理后原料的可抽出组分对原料化学组分含量和糖化发酵的影响,研究结果如下:(1)杨木原料经过不同预处理后,抽出物的含量增加,其中与碱性预处理相比,酸性(稀H_2SO_4和酸性NaHSO_3)预处理杨木中水和乙醇抽出物的含量增加较多,而且水抽出物组分中含有较多的纤维素和半纤维素降解生成的低聚糖和单糖等成分,而乙醇抽出物中的糖含量则很少。因此,建议在分析预处理后原料的化学组分时,对水抽出物在适宜的条件下进行酸解以测定抽出物中不同糖的组分含量,并将其分别计算到纤维素和半纤维素的含量中,这样可能更真实地反映出原料中的不同糖组成,由此计算出的纤维素转化率更贴近实际情况。(2)论文比较了未处理、酸性NaHSO_3和碱性NaHSO_3预处理杨木,在组分分析的酸性水解阶段的不同水解时间下,水解液中的糖组成情况,发现由于原料经过预处理,部分纤维素和半纤维素组分发生降解,而且原料的结构也发生了变化,导致预处理后原料更容易被酸水解,因此,可根据实际情况,适当地缩短酸性水解段的时间,以防止碳水化合物的过度降解,影响最终的分析结果,尤其对于酸性条件下预处理后的原料。(3)分析了不同方法预处理后,杨木的水抽出物中的一些组分类型和含量,发现酸性预处理后的原料水抽出物中含有较多的5-HMF、糠醛、甲酸和乙酸等副产物,抑制原料的酶解糖化效率。在酸性NaHSO_3预处理后杨木的乙醇抽出物中,含有醛、酚、酮、酸、醇、脂类等物质,这些物质能够抑制纤维素酶的活性或吸附纤维素酶蛋白,对纤维素原料的糖化和发酵有抑制作用。(4)通过对稀H_2SO_4和酸性NaHSO_3预处理杨木进行水洗涤,可以提高纤维素的酶解效率,其中采用增加水体积和洗涤次数的方式,比增加洗涤时间更能有效地改善酶解性能,在适宜的水体积下采用多次循环洗涤的方法对提高预处理木质纤维素的酶解效率更加有效。(5)虽然采用水洗涤可以改善稀H_2SO_4预处理后杨木的糖化发酵效率,提高乙醇产量,但酸性NaHSO_3预处理杨木经过水洗涤后,发酵产乙醇的效率反而有所下降。酸性NaHSO_3预处理后原料中形成了木素磺酸盐,说明了含有木素磺酸盐的水抽出物能促进原料的半同步糖化发酵(Q-SSF)过程,同时发现在微晶纤维素Q-SSF反应体系中添加含有木素磺酸盐的水抽出物和商品木素磺酸盐,促进了 Q-SSF。在培养基上添加含有木素磺酸盐的水抽出物和商品木素磺酸盐,发现酵母菌的数量有所增加,推测木素磺酸盐可能通过促进酵母的生长从而促进Q-SSF发酵产乙醇效率。


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