能源草生物转化制取丁醇的初步研究

发布时间：2020-08-20 08:07

【摘要】：能源草是一类抗旱和耐盐碱能力极强的植物,能在边缘性土地大面积的种植,为生物丁醇的生产提供了一种丰富、廉价和可再生的碳源。能源草生物转化为丁醇主要包括预处理,酶水解,发酵和产物分离四个主要的步骤。目前,能源草发酵制取生物丁醇过程中预处理的效果还比较低,导致酶解糖化效率低,无法达到发酵微生物需求,这是限制丁醇产量的主要因素;其次,丁醇发酵产物对酶水解有反馈抑制作用,进一步降低了丁醇发酵效率。本文首先以荻为原料,比较了乙酸化的亚氯酸钠预处理(SCA)和未乙酸化的亚氯酸钠预处理对荻化学组成和酶水解效率的影响,并对SC预处理条件进一步优化,研究了其预处理后的原料酶水解液发酵制取丁醇的性能。结果表明,与传统的SCA预处理相比(18.1%),SC预处理半纤维素损失更少(7.8%),即其碳水化合物保留率更高。且SC预处理后荻经酶水解葡萄糖得率(70.5%)高于SCA(58.7%)。延长预处理时间和补加木聚糖酶,SC预处理原料的酶水解得率显著增加,即荻经SC预处理12 h后,补加5000nkat/g DM(干物质)的木聚糖酶,葡萄糖和木糖的水解得率分别从82.2%和64.9%增加到93.6%和69.9%,还原糖得率从634.0 mg/g DM增加到808.7 mg/g DM。但是亚氯酸钠预处理原料的酶水解液,经丙酮丁醇梭杆菌(ATCC824)发酵后,ABE(丙酮-丁醇-乙醇)的总产量为0.03 g/g葡萄糖,低于纯葡萄糖对照(0.21 g/g葡萄糖),可能与亚氯酸钠预处理方式或荻本身的发酵性能有关。为了进一步研究预处理方式及原料种类对丁醇发酵性能的影响,本文以杂交狼尾草,互花米草和荻为原料,通过稀硫酸,氢氧化钠,碱性亚硫酸盐进行预处理,比较了三种预处理对杂交狼尾草、互花米草和荻化学组成、酶水解及丁醇发酵性能的影响。结果表明,杂交狼尾草的木质素最易被去除;碱性亚硫酸盐预处理移除木质素的能力最高。经稀硫酸预处理后,三种原料在不同底物浓度下的酶水解效率差异不明显。三种原料经过氢氧化钠预处理后,以8%底物浓度为进行酶水解,葡萄糖得率分别为4.8,5.6和16.6g/L,酶水解效率均不高。碱性亚硫酸盐预处理后,杂交狼尾草在8%底物浓度下的酶解糖化效率仅为11 g/L;但是互花米草和的荻在8%底物浓度下经纤维素酶水解后,葡萄糖的产量分别为32 g/L和39 g/L,满足丁醇发酵对糖的需求。经丙酮丁醇梭杆菌(ATCC824)发酵后,碱性亚硫酸盐预处理后互花米草的酶水解液的ABE产量为0.12g/g葡萄糖,高于同种预处理后荻的ABE产量(0.09 g/g葡萄糖),高于亚氯酸钠预处理后荻的ABE产量(0.03g/g葡萄糖)。并且酶水解液发酵产ABE的产量都低于其对照(以纯葡萄糖为发酵碳源),这可能与酶水解过程中产生的糠醛等抑制物对发酵微生物代谢途径的影响有关,需要进一步研究论证。本文也研究了丁醇发酵终产物,包括丙酮、丁醇、乙醇、乙酸和丁酸,对酶水解及水解液中纤维素酶各组分(CBHⅠ,EGⅡ和β-G)酶活性的影响规律。结果表明,丙酮、丁醇和乙醇在较低浓度时对酶水解有促进作用;添加5 g/L丁醇时,Avicel和碱预处理后的杂交狼尾草酶水解得率分别从30%和61.9%增加到62.8%和75.0%,添加20g/L的丙酮和乙醇时,Avicel酶水解得率增加到了57.8%和58.3%,碱预处理后的杂交狼尾草水解得率增加到了79.2和85.6%;丁醇,乙醇和丙酮的混合物及发酵所有产物的混合物对酶水解也有促进作用,且促进作用主要由丁醇主导,没有产物累积效应。发酵产物对水解液中酶活性的影响规律表明,丁醇对水解溶液中的CBHⅠ,EGⅡ的酶活性都有促进作用,且对EGⅡ的促进作用更明显,即添加5 g/L丁醇时,水解48 h后的水解液中CBHⅠ,EGⅡ的酶活分别从27.3%和62.9%增加到了59.9%和142.8%;丙酮和乙醇主要是促进了CBHⅠ的热稳定性,水解6 h CBHⅠ酶活性保持不变,但对EGⅡ的活性影响不大;所有产物对β-G的影响都不显著。本文从能源草的高效预处理,预处理后底物的酶水解糖化规律及酶水解液发酵产丁醇的能力等多个方面研究了能源草发酵产丁醇的可行性,为能源草发酵产丁醇提供基础理论指导。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ923
【图文】：

过程图,木质纤维,原料,农作物秸秆

图 1-1 木质纤维原料转化成液体燃料的过程 (Chen et al., 2017)Fig. 1-1 The process of converting lignocellulosic material into liquid fuels (Chen et al.,源草用于生产生物丁醇的原料主要有可食用性的粮食作物和不可食用的木质虑原料成本和粮食安全问题，木质纤维原料成为了近年来研究的重点。木要包括农作物秸秆和能源草,农作物秸秆分布不集中，收集、贮存和运输比

可及性,预处理

增加比表面积，从而增加酶对原料的可及性来提高程中的预先处理，能够将长的原料破碎为 10-50 mm 的颗粒；粉到 10-30 mm；球磨进一步减小原料的粒径到 0.2-2 mm，此过程度 (Agboretal.,2011)。有研究报道，在生物乙醇生产过程中，原率越高，但是当颗粒减小到 0.4mm 后，继续减小颗粒，水解得率程能耗较高，成本较高且效率低，因此，机械通常和其他方法利用微博，超声波和γ-射线等辐射能对原料进行照射，破坏原料可接触面积，提高酶水解得率，但是效率不高，还需要进一步优to et al., 2017)。最常用的预处理方法，利用化学试剂与木质纤维原料反应，改变物理特征，从而增加酶对底物的可及性，提高酶水解效率。化学和半纤维素反应，改变或除去部分的木质素和半纤维素，同时降此方法有效性的条件主要涉及化学试剂的加载量，反应温度和应用最多的预处理方法，用于预处理的化学试剂主要包括酸、碱学试剂。下文详细的介绍了几种常用的化学预处理方法。

XRD图谱,预处理,XRD图谱,结晶度

图 2-2 预处理前后荻的 XRD 图谱Fig. 2-2 XRD map of silvergrass before and after pretreatment.结晶度较高的 Avicel 和微晶纤维素（cellulosefiber），预处理前后结晶度变而，荻经过 SCA 和 SC 预处理后，结晶度都增加，这是由预处理过程中非素和半纤维素等物质的移除导致的，这跟其他的研究结果是一致的 (Kum SC 预处理后的原料的结晶度为 56.6%，低于 SCA 预处理后的原料结这可能是由 SC 预处理过程中移除的半纤维素更少导致的。将 SC 预处理延长到 12 h，原料的结晶度从 49.8%增加到了 76.5%，因为在剧烈的预处多的半纤维素和抽提物等物质被移除。表 2-4 预处理前后原料的结晶度分析Table 2-4 The crystallinity analysis of raw materials before and after pretreatment.原料预处理时间 (h) 结晶度指数 (%)Avicel未预处理 / 79.9SCA 2 81.4

【参考文献】