浓磷酸联合过氧化氢预处理小麦秸秆的工艺优化及高基质糖化发酵研究

发布时间：2020-11-11 11:21

　　 在生物乙醇生产中主要涉及三大工艺流程:预处理、酶水解、发酵。本文以新型的浓磷酸联合过氧化氢(PHP)预处理小麦秸秆为研究对象,围绕生物乙醇生产的工艺流程展开PHP预处理工艺条件优化及高基质酶解糖化发酵研究。以期得到最优的PHP预处理小麦秸秆的条件及其后续较适宜的高基质酶解糖化条件、最优的同步糖化发酵(SSF)条件,为PHP预处理产乙醇工艺提供参考。主要的研究结果如下:(1)在PHP预处理条件的优化中,采用Box-Behnken响应面法对PHP预处理小麦秸秆的预处理温度、磷酸浓度、预处理时间进行优化,分析了小麦秸秆纤维素回收率、半纤维素去除率、木质素去除率、酶水解率及葡萄糖收率对预处理条件的响应关系。结果表明,预处理温度、磷酸浓度、预处理时间的增强均对半纤维素和木质素的去除有促进作用。对于纤维素回收率来说,磷酸浓度是一个重要的调控因素,其次是预处理温度和时间,这3个变量均与纤维素回收率呈负相关关系。增加磷酸的浓度可以提高酶水解率,然而,过多的纤维素降解会导致葡萄糖收率降低。额外较高的温度或较长时间的预处理均不利于提高酶水解率和葡萄糖收率。以酶水解率及葡萄糖收率最大为优化目标,最优的PHP预处理条件为:在40.2°C,79.6%H_3PO_4下预处理2.9h,酶水解48 h可得到酶水解率90%,葡萄糖收率244 mg/g小麦秸秆。此外,最大的葡萄糖收率(299 mg/g小麦秸秆)可在小麦秸秆经70.2%H_3PO_4在40°C、2 h下预处理后,酶解72 h实现。(2)在最优PHP预处理小麦秸秆的条件下,对预处理后的小麦秸秆的高基质酶解糖化进行研究。结果表明,酶水解基质浓度达到20%时仍可以实现77.4%的酶水解率,产生164.9 g/L葡萄糖。将预处理后的小麦秸秆自然干燥后,基质浓度甚至可以增加到25%而酶水解率仅仅降低3.4%。在使用较低的纤维素酶(CTec2)20 mg蛋白/g纤维素添加量下,20%基质浓度下的小麦秸秆酶水解96 h,酶水解率达72.9%。在此条件下,100 g小麦秸秆可经过同步糖化发酵产生11.2 g乙醇,乙醇浓度为71.2 g/L。因此,PHP预处理后的小麦秸秆可在高基质浓度及较低的酶添加量下获得较高的酶水解率及乙醇产量。此外,在进一步通过干燥基质来提高基质浓度的研究中,纤维素酶最大吸附量和直接橙/直接蓝比值降低,表明由于可容纳纤维素酶的孔坍塌,干燥对PHP预处理后的小麦秸秆的酶水解率有负影响。(3)在明确了高基质酶水解特征的基础上,探究了PHP最优条件预处理后的小麦秸秆在不同的基质浓度、酶添加量及酵母接种量下对高基质同步糖化发酵(SSF)效果的影响。结果表明,PHP预处理后的小麦秸秆SSF的基质浓度可以提高到20%;提高酶添加量可以显著提高乙醇转化率及乙醇浓度,但酶添加量仍有可能降低到10-20mg蛋白/g纤维素;过高或过低的酵母接种量对SSF均不利,合适的SSF酵母接种量为1-2 g/L。基于以上结论,采用Box-Behnken响应面法对SSF条件进一步优化。结果显示,在酶使用量及酵母接种量最低条件下,以乙醇转化率及乙醇浓度最大为优化目标,SSF最优条件是在基质浓度为15.3%时添加CTec2酶13.2 mg蛋白/g纤维素,接种酵母1.0 g/L,SSF 120 h后,得到实际的乙醇浓度为69.9 g/L,乙醇转化率为88.2%。在此条件下,100 g小麦秸秆可经过同步糖化发酵产生15.5 g乙醇。
【学位单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X712;TK6
【部分图文】：

小麦秸秆的纤维素，半纤维素和木质素含量分别在 35%-45%, 20%-30%和 8%-15% (w/w)范围内[10]。如图1-1 所示，纤维素分子链是紧密排列在一起的，因此水和酶都很难穿透其结构；木质素和半纤维素则分别依靠化学键和氢键紧密的缠绕排列在纤维素之间，对纤维素组分形成了包围[16]。因此，与蔗糖或淀粉不同，由于木质纤维素生物质的结构复杂性，来自小麦秸秆的乙醇生产首先需要进行预处理，使纤维素易于进行有效的酶解聚合。图 1-1 植物细胞壁的结构示意图Fig. 1-1 Structure of plant cell wall

研究Fig.1-2Tech高基质同步糖化发酵(SSF)

浓度及较长时间的处理下氢离子活性增强[5]。由图2-1可以看出在较高的H3PO4浓度下，半纤维素去除率在较高温度（60°C）或长时间（6.0h）预处理时有轻微的降低，这表明半纤维素的去除部分是由于 PHP 的氧化作用，PHP 在反应中会产生过氧酸，如 H3PO5、H4P2O8等，其氧化性可由磷酸与过氧化氢的比例来调控。对于木质素的响应，拟合得到木质素去除率随各个预处理条件变化的多项式如下：Y木质素去除率= +82.66+1.78X1+1.84X2+1.72X3-0.20X1X2-0.61X1X3-0.65X2X3-1.71X12-0.19X22+1.21X32公式（11）如表 2-4 所示，木质素的去除率由 76.1%-86.4%。这明显比半纤维素去除率低
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本文编号：2879116