臭氧和球磨预处理提高玉米秸秆酶解糖化率的研究

发布时间：2020-03-31 01:38

【摘要】：随着经济和社会的发展,人类对能源的需求导致传统的化石能源日益枯竭,开发非石油依赖性的能源十分重要。利用木质纤维素为原料生产的生物燃料乙醇具有高效、环保和可再生的优点,但是木质纤维素结构复杂,必须要通过预处理来降解木质素,并打破纤维素的结晶结构,增加酶与纤维素的可及性,从而提高它的酶解糖化率。本文研究了臭氧预处理和行星式球磨预处理方法,分析了这两种方法单独处理以及结合处理对玉米秸秆酶解的影响。主要内容和结果如下:(1)单独利用行星式球磨机处理玉米秸秆,随着球磨时间的增加,秸秆的平均粒径逐渐减小、比表面积逐渐增大、纤维素的结晶度逐渐降低,8 min为最优球磨处理时间。球磨8 min样品(BM8)的纤维素和木聚糖的酶解率分别达到75.0%和45.3%,与原料相比,分别提高了3.3和4.1倍。从微观形态上看,与原料的致密纤维状结构不同,BM8的粒径显著变小,纤维状结构被破坏。(2)单独利用臭氧处理玉米秸秆,可以有效降解秸秆中的部分木质素和少量木聚糖,90 min为最优臭氧处理时间。臭氧处理90 min样品(OZ90)酶解后的葡萄糖和木糖产量分别为152.9和81.9 mg/g秸秆,与原料相比,分别提高了1.5和3.2倍;OZ90水洗后再酶解,葡萄糖产量提高到332.3 mg/g秸秆,木糖产量也略微提高。微观形态分析表明,由于木质素的部分去除,OZ90表面变得粗糙,致密结构变得疏松,这些变化促进了酶解作用。(3)先用臭氧再用球磨进行预处理(OZ-BM)不但降解了部分木质素,还可以使样品的平均粒径逐渐减小、比表面积逐渐增大、纤维素的结晶度逐渐降低。臭氧处理90min后再球磨处理8 min的样品(OZ90-BM8)为最优的OZ-BM处理样品,它酶解后的葡萄糖和木糖产量分别达到407.8和101.9 mg/g秸秆,比原料分别提高了6.6和5.2倍;比BM8的葡萄糖产量提高了54%,木糖产量略微提高;比水洗后的OZ90的葡萄糖产量和木糖产量分别提高了23%和13%。OZ90-BM8与BM8样品的微观形态类似,粒径显著变小,纤维状结构被破坏。(4)先用球磨再用臭氧预处理(BM-OZ)可以提高木质素去除率,从而增加酶解后的糖产量。球磨处理1 min后再臭氧处理90 min的样品(BM1-OZ90)为最优的BM-OZ处理样品,它酶解后的葡萄糖和木糖产量分别达到373.2和82.5 mg/g秸秆,比原料分别提高了5.1和3.2倍;比BM1分别提高了4.3和2.7倍;比水洗后的OZ90的葡萄糖产量提高了11%,但木糖产量略微下降。从微观形态上看,与OZ90相似,BM1-OZ90表面变得粗糙,致密结构变得疏松,这些变化促进了酶与纤维素的反应,提高了酶解率。(5)当酶解时的酶用量从15减少到1.5 FPU/g秸秆时,预处理过的样品BM8、OZ90、OZ90-BM8和BM1-OZ90的糖产量几乎不变,而原料的糖产量明显降低,因此BM和OZ预处理可以大幅降低酶用量。BM8、OZ90、OZ90-BM8和BM1-OZ90的酶解液可直接用于酿酒酵母发酵乙醇,糖醇转化率均达到90%以上。本论文采用臭氧与球磨结合预处理提高玉米秸秆的酶解率,它对环境无污染,反应条件温和,酶用量低,是一种十分有前景的预处理方法。
【图文】：

示意图,木质纤维素,流程,木质纤维

它是以农林废弃物，，如农作物秸秆、甘蔗渣、木屑等木质纤维产的。木质纤维素分布广泛、总量庞大、价格低廉，但是，木质纤维，相比第 1 代和第 1.5 代生物乙醇，它的生产技术尚不成熟。第二代乙醇）生产的主要工艺流程如图 1-1 所示，木质纤维素必须经过预处纤维素酶降解为单糖，最后通过微生物的发酵转化生产乙醇。

木质纤维素,结构示意图,秸秆,半纤维素

半纤维素和木质素是木质纤维素的主要组成成分，一些木质成成分的百分比如表 1-2 所示，它们的百分比各不相同。木质示，链状纤维素通过氢键形成结晶结构，半纤维素和木质素包层”，导致木质纤维素中的多糖难以被酶解利用。表 1-2 几种木质纤维素原料主要成分的百分含量ble 1-2 Percentage content of main components of some lignocellulose mate料纤维素（%）半纤维素（%）木质素秸秆a36.8 21.5 1渣b44.0 21.8 2秸秆b40.8 21.7 2柳杉c38.2 6.0 3秸秆d32.4 19.1 2秸秆d25.9 21.5 2[9]；b数据源于[10]；c数据源于[11]；d数据源于[12]
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ352.62;S216.2

【参考文献】