基于BP神经网络的棉秆酶解糖化的模拟与优化
发布时间：2021-08-25 13:45
新疆棉秆资源丰富,将棉秆酶解生成可发酵糖,有利于其高值化利用。本研究以棉秆为原料,将其经过Na OH处理后,以纤维素酶用量、酶解温度、水解时间和固含量为输入参数,以酶解得到的还原糖产率为目标输出,在Box-Behnken设计实验的基础上,采用BP神经网络对经Na OH处理后的棉秆在纤维素酶中酶解的过程进行模拟与优化,建立了棉秆在纤维素酶中酶解糖化的神经网络模型,优化了棉秆在纤维素酶中酶解的工艺。模型分析结果表明:优化的神经网络模型均方误差小,回归值为0.9571,网络性能稳定,预测结果准确。通过模型优化获得最优的酶解条件为:酶用量为70 FPU/g,温度为46.31℃,酶解时间为72 h和固含量为7.5%,获得还原糖产率最高为62.14%;XRD、SEM和FT-IR的分析结果表明:Na OH预处理能有效除去木质素,使纤维素的含量相对升高,与纤维素酶的接触位点增多,从而提高棉秆的水解产率。
【文章来源】：石河子大学学报(自然科学版). 2018,36(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
BP神经网络模型图
石河子大学学报（自然科学版）第36卷得到R为0.9571，网络输出结果与实验结果非常接近，表明建立的BP神经网络模型可以用于预测NaOH处理棉秆在纤维素酶中酶解产糖的工艺。图2还原糖产率真实值与BP神经网络预测值的比较图Fig.2ComparisonofexperimentalreducingsugaryieldandBPNNsimulatedvalue根据建立的BP神经网络模型的连接权值，可以定量计算出纤维素酶用量、酶解温度、水解时间和固含量对输出结果的贡献率，结果（表6）显示：酶解的各因素对还原糖产率影响强弱为：酶解温度>水解时间>纤维素酶用量>固含量。通过BP神经网络优化棉秆酶解糖化过程，得到最优的水解条件为：纤维素酶用量、酶解温度、水解时间和固含量分别为70FPU/g、46.31℃、72h和7.5%，在此条件下获得最高还原糖产率为62.14%。表6纤维素酶酶解因素对棉秆酶解过程的贡献率Tab.6Relativeimportanceofinputvariablesonenzymaticdigestibility对该模型的预测结果进行验证，得到还原糖产率为62.63%，验证实验结果与预测值相近，表明建立的BP神经网络模型在预测棉秆在纤维素酶中酶解产糖方面较为可靠。2.3表征与分析对棉秆原料、NaOH处理棉秆以及酶解后的棉秆残渣进行XRD和FT-IR分析，结果如图3所示。由图3中XRD图可计算出棉秆原料结晶度指数为30.91%，经NaOH处理后升至51.59%，酶解后降低到38.29%，表明棉秆经NaOH处理后，结晶区的纤维素含量增大；酶解后，棉秆中的纤维素水解生成糖[15]，这与棉秆的组分分析结果一致。棉秆物料FT-IR图的波数范围是从4000-600cm-1。1720、1384和668cm-1的吸收峰是木质素的特征峰[16]，与原料相比，经NaOH预处理后，此处峰强减弱，表明棉秆中的木质素被去除。897cm-1处吸收峰归属于纤维素特征峰，经Na
过程，得到最优的水解条件为：纤维素酶用量、酶解温度、水解时间和固含量分别为70FPU/g、46.31℃、72h和7.5%，在此条件下获得最高还原糖产率为62.14%。表6纤维素酶酶解因素对棉秆酶解过程的贡献率Tab.6Relativeimportanceofinputvariablesonenzymaticdigestibility对该模型的预测结果进行验证，得到还原糖产率为62.63%，验证实验结果与预测值相近，表明建立的BP神经网络模型在预测棉秆在纤维素酶中酶解产糖方面较为可靠。2.3表征与分析对棉秆原料、NaOH处理棉秆以及酶解后的棉秆残渣进行XRD和FT-IR分析，结果如图3所示。由图3中XRD图可计算出棉秆原料结晶度指数为30.91%，经NaOH处理后升至51.59%，酶解后降低到38.29%，表明棉秆经NaOH处理后，结晶区的纤维素含量增大；酶解后，棉秆中的纤维素水解生成糖[15]，这与棉秆的组分分析结果一致。棉秆物料FT-IR图的波数范围是从4000-600cm-1。1720、1384和668cm-1的吸收峰是木质素的特征峰[16]，与原料相比，经NaOH预处理后，此处峰强减弱，表明棉秆中的木质素被去除。897cm-1处吸收峰归属于纤维素特征峰，经NaOH处理后，峰强增强，酶解后峰强减弱，这与XRD结果一致，这是由于棉秆中的纤维素含量经碱处理后相对上升，酶解后又有所降低。 !!"#$%& ’( ))))对棉秆原料、NaOH预处理棉秆及其最优酶解条件下水解后的棉秆残渣进行扫描电镜（SEM）分析，结果（图4）显示：未处理棉秆的表面较为平整光滑，紧凑且无裂纹；经过NaOH处理后，棉秆表面结构破坏，原有的平滑规整的表面被打破，结构松散，表面出现一些小孔；酶解后大量纤维素水解生成6055504540353025还原糖产率ANN预测值30354045505560还原糖?
【参考文献】：
期刊论文
[1]废弃新疆棉秆皮脱胶技术及效果分析[J]. 王莉,于冉雪. 纺织科技进展. 2018(02)
[2]稀盐酸水解棉秆产糖工艺的神经网络模拟与优化[J]. 李勇,龚晓武,王珂,呼肖娜,王雅,周娜. 石河子大学学报(自然科学版). 2017(04)
[3]稀硫酸水解棉花秸秆制糖的工艺[J]. 佟毅夫,龚晓武,李勇,朱婷婷,周娜. 石河子大学学报(自然科学版). 2015(01)
[4]纤维素结晶度的测定方法[J]. 马晓娟,黄六莲,陈礼辉,曹石林. 造纸科学与技术. 2012(02)
[5]纤维素酶降解纤维素机理的研究进展[J]. 余兴莲,王丽,徐伟民. 宁波大学学报(理工版). 2007(01)
本文编号：3362227
【文章来源】：石河子大学学报(自然科学版). 2018,36(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
BP神经网络模型图
石河子大学学报（自然科学版）第36卷得到R为0.9571，网络输出结果与实验结果非常接近，表明建立的BP神经网络模型可以用于预测NaOH处理棉秆在纤维素酶中酶解产糖的工艺。图2还原糖产率真实值与BP神经网络预测值的比较图Fig.2ComparisonofexperimentalreducingsugaryieldandBPNNsimulatedvalue根据建立的BP神经网络模型的连接权值，可以定量计算出纤维素酶用量、酶解温度、水解时间和固含量对输出结果的贡献率，结果（表6）显示：酶解的各因素对还原糖产率影响强弱为：酶解温度>水解时间>纤维素酶用量>固含量。通过BP神经网络优化棉秆酶解糖化过程，得到最优的水解条件为：纤维素酶用量、酶解温度、水解时间和固含量分别为70FPU/g、46.31℃、72h和7.5%，在此条件下获得最高还原糖产率为62.14%。表6纤维素酶酶解因素对棉秆酶解过程的贡献率Tab.6Relativeimportanceofinputvariablesonenzymaticdigestibility对该模型的预测结果进行验证，得到还原糖产率为62.63%，验证实验结果与预测值相近，表明建立的BP神经网络模型在预测棉秆在纤维素酶中酶解产糖方面较为可靠。2.3表征与分析对棉秆原料、NaOH处理棉秆以及酶解后的棉秆残渣进行XRD和FT-IR分析，结果如图3所示。由图3中XRD图可计算出棉秆原料结晶度指数为30.91%，经NaOH处理后升至51.59%，酶解后降低到38.29%，表明棉秆经NaOH处理后，结晶区的纤维素含量增大；酶解后，棉秆中的纤维素水解生成糖[15]，这与棉秆的组分分析结果一致。棉秆物料FT-IR图的波数范围是从4000-600cm-1。1720、1384和668cm-1的吸收峰是木质素的特征峰[16]，与原料相比，经NaOH预处理后，此处峰强减弱，表明棉秆中的木质素被去除。897cm-1处吸收峰归属于纤维素特征峰，经Na
过程，得到最优的水解条件为：纤维素酶用量、酶解温度、水解时间和固含量分别为70FPU/g、46.31℃、72h和7.5%，在此条件下获得最高还原糖产率为62.14%。表6纤维素酶酶解因素对棉秆酶解过程的贡献率Tab.6Relativeimportanceofinputvariablesonenzymaticdigestibility对该模型的预测结果进行验证，得到还原糖产率为62.63%，验证实验结果与预测值相近，表明建立的BP神经网络模型在预测棉秆在纤维素酶中酶解产糖方面较为可靠。2.3表征与分析对棉秆原料、NaOH处理棉秆以及酶解后的棉秆残渣进行XRD和FT-IR分析，结果如图3所示。由图3中XRD图可计算出棉秆原料结晶度指数为30.91%，经NaOH处理后升至51.59%，酶解后降低到38.29%，表明棉秆经NaOH处理后，结晶区的纤维素含量增大；酶解后，棉秆中的纤维素水解生成糖[15]，这与棉秆的组分分析结果一致。棉秆物料FT-IR图的波数范围是从4000-600cm-1。1720、1384和668cm-1的吸收峰是木质素的特征峰[16]，与原料相比，经NaOH预处理后，此处峰强减弱，表明棉秆中的木质素被去除。897cm-1处吸收峰归属于纤维素特征峰，经NaOH处理后，峰强增强，酶解后峰强减弱，这与XRD结果一致，这是由于棉秆中的纤维素含量经碱处理后相对上升，酶解后又有所降低。 !!"#$%& ’( ))))对棉秆原料、NaOH预处理棉秆及其最优酶解条件下水解后的棉秆残渣进行扫描电镜（SEM）分析，结果（图4）显示：未处理棉秆的表面较为平整光滑，紧凑且无裂纹；经过NaOH处理后，棉秆表面结构破坏，原有的平滑规整的表面被打破，结构松散，表面出现一些小孔；酶解后大量纤维素水解生成6055504540353025还原糖产率ANN预测值30354045505560还原糖?
【参考文献】：
期刊论文
[1]废弃新疆棉秆皮脱胶技术及效果分析[J]. 王莉,于冉雪. 纺织科技进展. 2018(02)
[2]稀盐酸水解棉秆产糖工艺的神经网络模拟与优化[J]. 李勇,龚晓武,王珂,呼肖娜,王雅,周娜. 石河子大学学报(自然科学版). 2017(04)
[3]稀硫酸水解棉花秸秆制糖的工艺[J]. 佟毅夫,龚晓武,李勇,朱婷婷,周娜. 石河子大学学报(自然科学版). 2015(01)
[4]纤维素结晶度的测定方法[J]. 马晓娟,黄六莲,陈礼辉,曹石林. 造纸科学与技术. 2012(02)
[5]纤维素酶降解纤维素机理的研究进展[J]. 余兴莲,王丽,徐伟民. 宁波大学学报(理工版). 2007(01)
本文编号：3362227
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