微波技术用于植物纤维素原料生产酒精的研究

摘要

以植物纤维素为原料生产燃料酒精是解决人类所面临能源和环境问题，保持社会可持续发展的一条有效途径。本论文将微波技术用于植物纤维素原料的预处理和酶水解过程，以稻草作为模式植物纤维素原料，对植物纤维素原料预处理、酶水解和酒精发酵进行了系统的研究，未见有相关研究的文献报道。 首先考查了微波对稻草不同预处理方式对预处理后稻草酶水解的影响，并与常规碱预处理稻草酶水解进行比较，微波/碱预处理稻草可以提高预处理后稻草酶水解的初速度，而稻草酶水解的还原糖得率保持不变。在微波/碱预处理稻草浓度为10g.l-1，静置水解7d，以还原糖得率最高为优化目标时，微波/碱预处理稻草的优化条件为稻草在1％的NaOH溶液中经微波高火(700W)处理6min，预处理后稻草酶水解的优化条件为温度(45℃)、pH(4.8)和酶用量(20mg.g-1底物)。以微波/碱预处理稻草为底物，考查了微波(300W)处理酶液和微波(300W)间歇处理酶水解过程对稻草酶水解的影响，微波处理酶液可以略为提高酶水解的初速度，而稻草酶水解的还原糖得率大幅下降，微波间歇处理酶水解过程可以提高酶水解的初速度，而稻草酶水解的还原糖得率略为下降，造成上述结果的原因是微波处理提高了纤维素酶滤纸酶活力和CMC糖化酶活力，而降低了纤维素二糖酶活力。 然后比较了微波/碱预处理稻草和常规碱预处理稻草对预处理后稻草化学组成及酶水解的影响，微波/碱预处理稻草有较高纤维素含量、较快的酶水解速度、水解产物糖化液有较高的葡萄糖含量。在此基础上，对微波/碱预处理稻草、微波/酸/碱预处理稻草和微波/酸/碱/H2O2预处理稻草进行了比较，微波/酸/碱/H2O2预处理稻草不仅可以回收稻草在预处理过程中所形成的木糖，而且预处理后稻草有较高纤维素含量、较快的酶水解速度、水解产物糖化液有较高的葡萄糖含量，是一种较为理想的稻草预处理方法。 接下来对常规碱预处理稻草、微波/碱预处理稻草和微波/酸/碱/H2O2预处理稻草酶水解动力学进行研究，上述3种预处理稻草酶水解都受产物还原糖的竟争抑制，都可以用下面的动力学模型对其酶水解过程进行较好描述：dCG/dt=Rpmax·(CS0-0.9CG)/Km(1+CG/KG)+(CS0-0.9CG)常规碱预处理稻草、微波/碱预处理稻草和微波/酸/碱/H2O2预处理稻草模型参数Rpmax分别为1.36g.l-1.h-1、2.06g.l-1.h-1和2.80g.l-1.h-1，Km分别为17.9g.l-1、18.3g.l-1和17.4g.l-1，KG分别为29.9g.l-1、29.6g.l-1和43.1g.l-1。 最后对常规碱预处理稻草、微波/碱预处理稻草和微波/酸/碱/H2O2预处理稻草的酶水解产物糖化液酒精发酵和批式同步糖化酒精发酵进行了对比研究，微波/酸/碱/H2O2预处理稻草发酵的酒精浓度与得率均高于另外2种预处理方法，进一步证实了微波/酸/碱/H2O2预处理是一种较为理想的稻草预处理方法。对经微波/酸/碱/H2O2预处理稻草的批式同步糖化酒精发酵和中间补料批式同步糖化酒精发酵进行了对比研究，中间补料批式同步糖化酒精发酵可以有效的克服批式同步糖化酒精发酵的混和问题，从而提高发酵的酒精浓度，是一种较好的利用微波/酸/碱/H2O2预处理稻草生产酒精的操作模式，通过正交试验确定其最佳工艺条件为：温度(40℃)、初始pH(5.3)、初始补料时间(36h)、每次补料量(3g，3g，2g，2g)、营养物浓度(标准基本培养基中营养物浓度的1.8倍)和酶用量(12.5mg.g-1底物)。在最佳工艺条件下，其酒精浓度与得率分别为57.3g.l-1和60.3％。

目录

摘要

第一章前言

1引言

1.1生物质能与可持续发展

1.2燃料酒精作为车用燃料

1.3酒精的生产方法

2植物纤维素原料的选择

2.1模式底物的选择

2.2稻草的化学组成与结构

3植物纤维素原料的预处理

3.1物理方法

3.2物理化学方法

3.3化学方法

3.4生物方法

3.5组合方法

4植物纤维素原料的酶水解

4.1纤维素酶及其水解作用机制

4.2纤维素酶的生产

4.3纤维素酶水解的影响因素

4.4纤维素酶水解动力学

4.5提高植物纤维素原料酶水解效率和降低水解成本途径

5植物纤维素原料的酒精发酵

5.1植物纤维素原料酒精发酵菌种

5.2植物纤维素原料的酒精发酵工艺

6微波技术在化学与酶反应中的应用

7本研究工作的目的与意义

第二章不同微波处理方式对稻草酶水解的影响

1引言

2材料和方法

2.1材料与化学品

2.2碱预处理

2.3微波与碱联合预处理

2.4稻草糖化

2.5正交试验设计

2.6分析方法

3结果与讨论

3.1常规碱处理稻草糖化(酶水解)工艺条件优化

3.2不同预处理方法处理的稻草糖化(酶水解)过程比较

3.3微波功率及处理时间对微波与碱联合预处理的稻草糖化过程的影响

3.4微波与碱联合预处理的稻草糖化(酶水解)工艺条件的优化

3.5微波处理酶液的稻草糖化(酶水解)工艺条件的优化

3.6微波间歇处理糖化过程的稻草糖化(酶水解)工艺条件的优化

3.7糖化时不同微波处理方式对稻草糖化过程的影响

4结论

第三章操作条件对微波/碱预处理稻草的化学组成及其酶水解的影响

1引言

2材料和方法

2.1材料与化学品

2.2碱预处理

2.3微波/碱预处理

2.4稻草糖化

2.5分析方法

3结果与讨论

3.1预处理稻草的操作条件对预处理稻草的重量损失的影响

3.2预处理稻草的操作条件对预处理后稻草化学组成的影响

3.3微波/碱预处理与碱预处理稻草的糖化过程比较

3.4微波/碱预处理与碱预处理稻草的糖化产物化学成分比较

3.5底物浓度和酶用量对预处理稻草糖化的影响

4结论

第四章三种微波/化学预处理稻草的化学组成及其酶水解的比较

1引言

2材料和方法

2.1材料与化学品

2.2微波/碱预处理

2.3微波/酸/碱预处理

2.4微波/酸/碱/H2O2预处理

2.5木糖的提取与精制

2.6稻草糖化

2.7分析方法

3结果与讨论

3.1不同预处理稻草方法对预处理过程中稻草的重量损失和预处理后稻草的主要化学成分的影响

3.2木糖的回收与精制

3.3不同预处理稻草方法对预处理后稻草糖化的影响

4结论

第五章三种不同预处理方法处理稻草酶水解动力学比较

1引言

2材料和方法

2.1材料与化学品

2.2碱预处理

2.3微波/碱预处理

2.4微波/酸/碱/H2O2预处理

2.5稻草糖化

2.6分析方法

3结果与讨论

3.1数学模型的建立

3.2模型参数的求取

3.3模型计算与实验结果比较

3.4三种不同预处理方法处理稻草酶水解动力学模型参数的对比分析

4结论

第六章三种不同预处理稻草的酶水解液酒精发酵的比较

1引言

2材料和方法

2.1材料与化学品

2.2稻草酶水解糖化液的制备

2.3酒精发酵

2.4分析方法

3结果与讨论

3.1木糖对酒精发酵过程的影响

3.2温度对稻草酶水解糖化液酒精发酵的影响

3.3初始pH对稻草酶水解糖化液酒精发酵的影响

3.4三种不同预处理方法预处理后稻草酶水解产物糖化液的酒精发酵过程比较

4结论

第七章预处理稻草的同步糖化酒精发酵

1引言

2材料和方法

2.1材料与化学品

2.2预处理稻草的同步糖化酒精发酵

2.3正交试验设计

2.4分析方法

3结果与讨论

3.1常规碱预处理稻草的批式同步糖化酒精发酵工艺条件优化

3.2微波/碱预处理稻草的批式同步糖化酒精发酵工艺条件优化

3.3微波/酸/碱/H2O2预处理稻草批式同步糖化酒精发酵工艺条件优化

3.4三种不同预处理方法预处理稻草的批式同步糖化酒精发酵的比较

3.5预处理稻草的中间补料批式同步糖化酒精发酵工艺条件优化

3.6中间补料批式同步糖化酒精发酵与批式同步糖化酒精发酵的比较

4结论

参考文献

致谢

博士在读期间已发表和待发表与本研究相关论文题录