绿竹木质纤维素全组分高效分离及酶解工艺研究

作     者：常龙君 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：甘林火

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：绿竹 高值化利用 水热 低共熔溶剂 酶解糖化 

摘      要：绿竹是一种优良的笋用竹,其成竹含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素组分。本文以绿竹为原料,采用水热—低共熔溶剂(DES)组合预处理法,发挥水热法选择性分离半纤维素与DES选择性溶解木质素的特性,实现绿竹三大组分的绿色高效分离,促进绿竹纤维素的酶解糖化。首先,分别考察了水热预处理阶段水热温度、水热时间及绿竹与水固液比对水解液中木糖浓度、半纤维素脱除率、纤维素及木质素保留率的影响。结果表明,在水热温度和时间分别为180℃和35 min,绿竹与水固液比为1/10(w/v)的最优工艺条件下,水解液中木糖浓度为10.52 mg/m L,半纤维素脱除率、纤维素和木质素保留率分别为88.58%、96.33%和79.11%,且所得木寡糖的收率和纯度分别达到50.99%和81.62%。相较于绿竹原料,水热残渣结晶度显著提高;水热残渣粗糙、松散的微观结构及剥离的表层纤维将会为后续的DES脱木素工艺提供更多的反应位点。其次,采用氯化胆碱(Ch Cl)与乳酸(LA)制备DES,分别考察了DES脱木素阶段Ch Cl与LA摩尔比、处理温度、处理时间、绿竹水热残渣与DES固液比、DES含水量对木质素脱除率及纤维素保留率的影响。结果表明,在Ch Cl与LA摩尔比为1:3、DES处理温度和时间为140℃和2 h、绿竹水热残渣与DES固液比为1/10(w/v)、以及不含水的最优工艺条件下,木质素脱除率和纤维素保留率分别为79.07%和81.67%,且所得木质素纯度高达96.84%。相较于绿竹水热残渣,绿竹粗纤维素表面纤维间隙更大、更分散、孔隙度更高,这有助于后续的酶解糖化过程;较高的DES处理温度会促进绿竹木质素中β-O-4’连接结构的断裂,且愈创木基结构单元在DES处理过程中更易发生变化。此外,Ch Cl-LA DES经五次重复使用后,仍具备良好的脱木素性能;绿竹木质素中紫丁香基结构单元在多次循环使用的DES预处理过程中更易发生变化。最后,以水热—DES组合预处理后的绿竹粗纤维素为底物,分别考察了底物浓度、吐温—20浓度、牛血清蛋白浓度、纤维素酶用量、纤维素酶复配比例等对葡萄糖浓度和糖化率的影响。结果表明,在底物浓度为5%、纤维素酶用量为30 FPU/g纤维素(60%Cellic CTec3—40%PH9018)和吐温—20浓度为5mg/m L的适宜酶解条件下,葡萄糖浓度和糖化率分别为16.60 mg/m L和37.18%。此外,未经预处理的绿竹原料具有很高的结构抗性,基本无法酶解糖化,而经水热—DES组合预处理后绿竹粗纤维素酶解糖化率是经水热一步预处理后绿竹纤维素酶解糖化率的近两倍。