香蕉茎和甘蔗渣预处理及其纤维素酶解糖化的基础研究

【摘要】： 化石能源的日益枯竭是人类经济社会发展的巨大瓶颈,生物质作为一种资源丰富、环境友好的新型替代能源具有巨大的发展和应用前景。香蕉茎和甘蔗渣是广泛分布在我国南方地区的农业废弃物。以香蕉茎和甘蔗渣为原料生产生物乙醇,不仅可以充分利用废弃的生物质资源、保护环境,还可以增加农民收入,具有巨大的经济效益、环境效益和社会效益。本文探索了香蕉茎和甘蔗渣的弱碱性亚硫酸盐预处理过程和纤维素酶水解糖化的工艺条件、脱木素规律以及脱木素、半纤维素降解和木素磺化等多个因素对酶解过程的影响,为发展工业化的香蕉茎和甘蔗渣生物质精炼提供了理论依据和技术支持。 本文首先对香蕉茎进行了全面的原料分析,测定了香蕉茎的主要化学成分和单糖组成,结果表明香蕉茎的纤维素含量较高,木素含量低,单糖结构以葡萄糖和木糖为主,葡萄糖占71.76%,木糖占11.20%,具有进行生物质转化的潜在价值。采用光学显微镜(LM)、扫描电镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(CLSM)对香蕉茎的微观形态进行观察,发现香蕉茎的纤维外附着有非纤维结构的薄膜,应通过预处理破坏该结构以提高其生物质转化的效率。 采用弱碱性亚硫酸盐法对甘蔗渣预处理,然后利用紫外光谱(UV)测定蒸煮废液中的木素含量并计算甘蔗渣预处理过程的脱木素率,并采用化学滴定的方法测定亚硫酸钠的浓度。研究了甘蔗渣弱碱性亚硫酸盐预处理过程中的脱木素行为,建立了弱碱性亚硫酸盐的脱木素经验模型和动力学模型。由实验结果推导出蔗渣亚硫酸钠预处理过程脱木素的经验方程D ? 0 .8359H0 .2?(C0?C1)?6.699亚硫酸盐法蒸煮木素脱出率的实验值与预测值有良好的线性关系,表明此数学模型有较高的准确性。经过该模型预测,在亚硫酸盐预处理过程初期,木素溶出速度较快,脱木素率随H因子的增加而快速升高;当H239后,脱木素率增加的程度逐渐减少。 建立了蔗渣亚硫酸钠预处理过程脱木素动力学模型,经检验亚硫酸盐法蒸煮木素脱出率的实验值与该模型的预测值存在良好的线性关系,表明此数学模型有较高的准确性。 对甘蔗渣的弱碱性亚硫酸盐预处理和纤维素酶酶解,采用离子色谱(IC)测定酶解液中的各种单糖含量。以酶解单糖得率为指标,对预处理和酶解工艺进行了优化,得到最佳工艺条件为:亚硫酸钠用量18%,蒸煮最高温度160℃,最高温度下的保温时间为60min。经过以上条件的预处理之后的蔗渣以30u/g的纤维素酶用量,再加少量的β-葡萄糖苷酶,在50℃,pH=4.8,摇速150rpm的震荡培养箱中酶解72h。此时,甘蔗渣的葡萄糖得率为50.9%,木糖得率为23%,总糖得率为73.9%,相比于蒸汽爆破、氨水等预处理方式具有明显优势。经过该条件预处理的香蕉茎原料,其酶解得率由预处理前的12.6%提高到46%,表明弱碱性亚硫酸盐预处理有效提高了香蕉茎的纤维素酶解效率。但由于香蕉茎纤维表面覆盖有一层半纤维素和果胶构成的薄膜,阻碍了药液对纤维细胞壁的作用,导致其酶解得率低于甘蔗渣,应考虑采用其他预处理方法进一步提高生物质转化率。 采用离子色谱(IC)测定预处理后甘蔗渣的半纤维素含量,通过电导率测定法测得预处理后甘蔗渣表面的磺酸基含量,分析了弱碱性亚硫酸盐预处理过程中脱木素、半纤维素降解以及木素磺化对后续酶解的影响。发现弱碱性亚硫酸盐预处理的脱木素率对蔗渣后续酶解的影响较大。在同一温度下,纤维素酶解得率随脱木素率的增大而升高,且趋势越来越陡,说明木素脱除有利于纤维素酶的酶解,并且当木素脱除的越深入,酶解效率会提高得越明显。脱木素过程虽然可以增加纤维素酶的可及度,利于酶解过程的进行,但脱木素的同时也会引起半纤维素的部分降解,从而造成总的单糖得率下降。因而,木素大量脱除的同时,半纤维素小部分降解是比较理想的亚硫酸盐预处理效果。木素的磺化有利于纤维素酶的接触,可以提高纤维素酶的水解效率。