绿液预处理木质纤维原料酶水解的研究

作     者：赵士明 

作者单位：南京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余世袁

授予年度：2012年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：木质纤维原料 绿液预处理 纤维素酶制备 酶水解 商品纤维素酶 

摘      要：在化石能源的短缺与人们日益增长的能源需要的矛盾形势下，利用木质纤维原料生产燃料乙醇对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义。本论文对3种木质纤维原料的预处理、纤维素酶的制备、纤维素和半纤维素的水解糖化等关键技术进行了系统研究。 比较了不同绿液预处理条件下木质纤维原料的浆料分析、纤维素酶活力与纤维素酶解得率，结果表明，预处理条件越剧烈，原料损失越大，聚糖回收率越低，而木质素移除率越高。3种木质纤维原料中稻草秸秆损失的最为严重，其次是玉米秸秆，最后是麦秆。最佳产纤维素酶条件都是在预处理条件较为缓和的状态下，特别是在低总碱量，利用绿液预处理麦秆作为碳源产纤维素酶活力最大，为3.2FPU/mL，预处理条件是蒸煮温度140℃，总碱量4%和硫化度0。在相同酶水解条件下，纤维素酶解得率也是随着预处理条件的增强而提高，3因素对酶解得率的结果影响最大的因素为总碱量，其次为硫化度，最后是蒸煮温度。综合考虑，本实验绿液预处理方法中最佳的生产原料是麦秆，预处理条件是蒸煮温度150℃，总碱量8%和硫化度40%。 考察酶用量和底物浓度对绿液预处理麦秆酶水解的影响，优化商品纤维素酶酶系结构和Tween-80的添加量，结果表明优化后的方案，酶解得率明显提高。在底物浓度10%，商品纤维素酶15FPU/g纤维素，β-葡萄糖苷酶9IU/g纤维素，木聚糖酶30IU/g纤维素，Tween-800.05g/g纤维素时，优化后方案的葡萄糖得率和木糖得率分别达到了82.5%和77.8%，是优化前的2.6倍和1.6倍;商品纤维素酶20FPU/g纤维素，β-葡萄糖苷酶12IU/g纤维素，木聚糖酶20IU/g纤维素，Tween-800.075g/g纤维素，优化后方案的葡萄糖得率和木糖得率分别达到了86.8%和81.5%，是优化前的2.4倍和1.6倍。为消除糖化过程中产物的反馈抑制，酶解残渣不水洗继续酶水解24h，在FPA15FPU/g纤维素时，葡萄糖得率和木糖得率达到90.2%和82.7%;在FPA20FPU/g纤维素时，葡萄糖得率和木糖得率达到93.6%和87.9%，由此可见，酶水解液的移除和更换有利于酶水解的进行以及酶解得率的提高。 对比了几种不同来源纤维素酶在蛋白组分上存在的差异以及酶解效果，发现自产纤维素酶的酶解得率优于商品纤维素酶。以麦秆为碳源、产酶5d的自产纤维素酶的葡萄糖得率和木糖得率为最大，表明自产纤维素酶的酶系组成较为合理，由底物自身诱导的纤维素酶协同性较好。研究不同β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶和Tween-80添加量对自产纤维素酶水解的影响，酶水解72h时，葡萄糖得率和木糖得率分别达到了90.4%和94.1%，是优化前的1.6倍和1.2倍。提高绿液预处理麦秆的酶解得率是各种因素的综合结果，不能单纯把眼光放在纤维素酶用量上，还要放在各种酶组分的合理配比上。