木薯渣两步超低酸/高温热水预处理及其酶解制备可发酵糖的研究

摘要

随着全球化石能源紧缺的危机日益明显，人们越来越关注可持续性清洁能源的发展，其中生物质燃料乙醇的研究受到了广泛的关注。由于早期的淀粉乙醇原料较少且与人争粮，所以木质纤维燃料乙醇的研究受到了广泛关注。但是由于木质纤维原料本身固有的致密结构使得其难以直接转化生产可发酵糖，因此为了提高还原糖的产率，现大多采用预处理结合酶解的方法提取可发酵糖。本文以工厂废弃物木薯渣为原料，采用一步超低酸(ULA-One-step)、两步超低酸(ULA-Two-step)、一步高温热水(HW-One-step)和两步高温热水(HW-Two-step)和酶解进行处理。以预处理液和酶解液中总糖得率辅以抑制物浓度为指标评价较优预处理工艺，并对原料、预处理样和酶解残渣进行组分分析、结晶度分析、红外分析和热重分析，探究不同预处理方式对木薯渣原料中不同组分含量和结构的影响。
　　ULA-One-step预处理和酶解(0.01％(w/w)H2SO4，180℃，20min+35FPU/g)后葡萄糖、木糖和总糖的回收率分别达到71.30％、72.88％和70.33％，酸不溶木素(AIL)的回收率为83.20％;ULA-Two-step预处理和酶解(0.01％(W/W)H2SO4,180℃,20min+0.05％(w/w)H2SO4,190℃,10min+35FPU/g)后葡萄糖、木糖和总糖的回收率分别达到72.97％、82.40％和73.20％，AIL的回收率为74.74％。HW-One-step预处理和酶解（190℃，10min+35FPU/g）后葡萄糖、木糖和总糖的回收率分别达到67.80％、73.74％和67.75％，AIL的回收率为72.22％;HW-Two-step预处理和酶解(190℃，10min+200℃，10min+35FPU/g)后葡萄糖、木糖和总糖的回收率分别达到68.86％、76.40％和68.95％，AIL的回收率为69.18％。此外，四种方式预处理液中抑制物（包括甲酸、乙酸、糠醛和5-HMF）的含量都较低，甲酸、乙酸、糠醛和5-HMF的最高浓度分别为1.03g·L-1、0.52g·L-1、0.21g·L-1和0.03g·L-1，均远小于报道所限制的抑制物浓度。与一步预处理相比，两步预处理有更高的总糖得率，尤其是木糖;与高温热水(HW)预处理相比，超低酸(ULA)预处理不仅可以降低预处理所需的温度而且有更高的总糖回收率，此外，不会增加总抑制物的量。
　　除淀粉木薯渣(RSFCR)原料经超低酸和高温热水预处理后结晶度和热稳定性有了明显增加，半纤维素对应的羰基峰强度明显减弱，大部分半纤维素可在预处理阶段降解，破坏了木质纤维原料固有的致密结构，其酶解转化率可从54.18％分别增加到82.39％和80.49％。半纤维素的脱除程度越大，其相对应的酶解转化率也越高，而除淀粉木薯渣原料中木质素的相对含量和结晶度的大小与酶解转化率无明显的线性关系。
　　此外，实验表明木薯渣与RSFCR有同样适用的预处理工艺，木薯渣经预处理和酶解后葡萄糖、木糖和总糖的最高回收率分别为94.01％、77.91％和91.42％，预处理液中甲酸、乙酸、糠醛和5-HMF的最高浓度分别为1.10g·L-1、1.01g·L-1、0.41g·L-1和0.22g·L-1。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 生物质资源的利用

1．3 木质纤维原料的预处理技术

1．3．1 物理预处理

1．3．2 化学预处理

1．3．3 热预处理

1．4 HW预处理和ULA预处理主要组分的溶出及降解机理

1．5 纤维素酶水解机理及影响因素

1．5．1 纤维素酶的水解机理

1．5．2 纤维素酶水解的影响因素

1．6 生物质原料-木薯渣

1．6．1 木薯渣生物质的性质

1．6．2 木薯渣的利用现状

1．7 本论文的主要研究内容及研究目的和意义

1．7．1 本论文的研究目的和意义

1．7．2 本论文的主要研究内容

第二章 木薯渣ULA预处理及其酶解制备可发酵糖

2．1 实验材料与仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器与药品

2．2 实验方法

2．2．1 ULA预处理

2．2．2 预处理后固体的酶水解

2．3 分析方法

2．3．1 化学组分分析

2．3．2 水解液中糖类的测定

2．3．3 水解液中糠醛和5-HMF的测定

2．3．4 水解液中甲酸和乙酸含量的测定

2．3．5 RSFCR原料、预处理固体和酶解残渣的表征

2．3．6 水解液中糖含量的计算

2．4 结果与讨论

2．4．1 木薯渣原料和RSFCR原料组分分析

2．4．2 第一步ULA预处理液组分分析

2．4．3 第二步ULA预处理液组分分析

2．4．4 ULA预处理和酶解后酶解液中葡萄糖回收率分析

2．4．5 预处理液及酶解液中总糖得率分析

2．4．6 RSFCR原料、预处理固体和酶解残渣的表征

2．4．7 较佳条件下的物料平衡计算

2．5 本章小结

第三章 木薯渣HW预处理及其酶解制备可发酵糖

3．1 实验原料与仪器

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验仪器与药品

3．2 实验方法

3．2．1 HW预处理

3．2．2 预处理后固体的酶水解

3．3 分析方法

3．3．1 化学组分分析

3．3．2 水解液中糖类的测定

3．3．3 水解液中糠醛和5-HMF的测定

3．3．4 水解液中甲酸和乙酸的测定

3．3．5 RSFCR原料、预处理固体和酶解残渣的表征

3．3．6 水解液中糖含量的计算

3．4 结果与讨论

3．4．1 第一步HW预处理液组分分析

3．4．2 第二步HW预处理液组分分析

3．4．3 HW预处理和酶解后酶解液中糖回收率分析

3．4．4 预处理液及酶解液中总糖得率分析

3．4．5 RSFCR原料、预处理固体和酶解残渣的表征

3．4．6 较佳条件下的物料平衡计算

3．5 本章小结

第四章 ULA预处理和HW预处理的对比分析

4．1 结果与讨论

4．1．1 预处理方式对后续纤维素酶解效率的影响

4．1．2 木糖、葡萄糖和木素含量与酶解的关系

4．1．3 预处理残渣结晶度与酶解的关系

4．1．4 不同预处理方法糖得率对比分析

4．1．5 不同预处理方法的抑制物得率对比分析

4．1．6 不同预处理后酶解残渣中AIL回收率的对比分析

4．2 本章小结

第五章 木薯渣原料ULA和HW预处理

5．1 结果与讨论

5．1．1 不同预处理方式水解液中糖得率分析

5．1．2 不同预处理方式水解液中抑制物得率分析

5．1．2 不同预处理方式和酶解总糖得率的分析

5．2 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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