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微波技术用于植物纤维素原料生产酒精的研究

朱圣东  
【摘要】:以植物纤维素为原料生产燃料酒精是解决人类所面临能源和环境问题,保持社会可持续发展的一条有效途径。本论文将微波技术用于植物纤维素原料的预处理和酶水解过程,以稻草作为模式植物纤维素原料,对植物纤维素原料预处理、酶水解和酒精发酵进行了系统的研究,未见有相关研究的文献报道。 首先考查了微波对稻草不同预处理方式对预处理后稻草酶水解的影响,并与常规碱预处理稻草酶水解进行比较,微波/碱预处理稻草可以提高预处理后稻草酶水解的初速度,而稻草酶水解的还原糖得率保持不变。在微波/碱预处理稻草浓度为10g.1~(-1),静置水解7d,以还原糖得率最高为优化目标时,微波/碱预处理稻草的优化条件为稻草在1%的NaOH溶液中经微波高火(700W)处理6min,预处理后稻草酶水解的优化条件为温度(45℃)、pH(4.8)和酶用量(20mg.g~(-1)底物)。以微波/碱预处理稻草为底物,考查了微波(300W)处理酶液和微波(300W)间歇处理酶水解过程对稻草酶水解的影响,微波处理酶液可以略为提高酶水解的初速度,而稻草酶水解的还原糖得率大幅下降,微波间歇处理酶水解过程可以提高酶水解的初速度,而稻草酶水解的还原糖得率略为下降,造成上述结果的原因是微波处理提高了纤维素酶滤纸酶活力和CMC糖化酶活力,而降低了纤维素二糖酶活力。 然后比较了微波/碱预处理稻草和常规碱预处理稻草对预处理后稻草化学组成及酶水解的影响,微波/碱预处理稻草有较高纤维素含量、较快的酶水解速度、水解产物糖化液有较高的葡萄糖含量。在此基础上,对微波/碱预处理稻草、微波/酸/碱预处理稻草和微波/酸/碱/H_2O_2预处理稻草进行了比较,微波/酸/碱/H_2O_2预处理稻草不仅可以回收稻草在预处理过程中所形成的木糖,而且预处理后稻草有较高纤维素含量、较快的酶水解速度、水解产物糖化液有较高的葡萄糖含量,是一种较为理想的稻草预处理方法。 接下来对常规碱预处理稻草、微波/碱预处理稻草和微波/酸/碱/H_2O_2预处理稻草酶水解动力学进行研究,上述3种预处理稻草酶水解都受产物还原糖的竟争抑制,都可以用下面的动力学模型对其酶水解过程进行较好描述: dC_G/dt=R_(pmax)·(C_(SO)-0.9C_G)/(K_m(1+C_G/K_G)+(C_(SO)-0.9C_G))


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