酶解玉米秸秆纤维素及蒸汽爆破预处理方法学研究

摘要

随着经济和社会的发展，能源危机以及环境问题日益严重。充分利用可再生资源是解决能源短缺和环境恶化问题的有效途径之一。植物纤维素原料(如玉米秸秆)是一种分布广泛，储量丰富的可再生资源。利用植物纤维素资源的有效途径之一是将其转化为可溶性发酵糖类，再通过微生物的作用生产如乙醇、乳酸等高附加值产品。利用纤维素酶水解玉米秸秆原料是一种有效的转化方法，其中预处理是降低成本，提高其利用率的关键。
　　本文利用蒸汽爆破法作为预处理方法，对玉米秸秆的酶解预处理工艺进行了优化。在此基础上，对最优蒸汽爆破工艺条件处理的物料进行水/醇处理，并对处理后的物料酶解过程进行优化。针对蒸汽爆破预处理的特点，考察了蒸汽爆破活化离子液体[BMIM]Cl处理后物料的酶解。
　　首先，采用均匀设计优化法对玉米秸秆蒸汽爆破预处理进行了优化，并对处理前后的玉米秸秆组分和结构进行表征。酶解的实验结果表明，与未处理秸秆相比，蒸汽爆破处理后样品的还原糖产率提高了97.00％。化学与物理分析结果表明，处理后物料半纤维素及可溶性物质相对含量减少，纤维素相对含量增加了29.73%；X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)结果表明纤维素致密结构被破坏。最佳还原糖产率蒸汽爆破工艺参数：蒸汽爆破压力2.2MPa，液固比1:1(mL/g)，维压时间9min，物料颗粒度40-60目。
　　其次，利用响应面法优化了汽爆水/醇处理后玉米秸秆的酶解。确定了底物浓度为53.28g/L，纤维素酶用量为53.32FPU/g，酶解时间为60.45h时，还原糖产率可达672.36mg/g，与蒸汽爆破处理后物料相比，酶解还原糖产率提高了28.97%。化学组分及结构形貌分析表明：水/醇处理后物料纤维素含量显著增加，XRD和SEM结果表明经过水/醇处理后物料相对结晶度增高，但结构更有利于纤维素酶分子的吸附。
　　最后，利用蒸汽爆破法活化玉米秸秆原料，并利用离子液体[BMIM]Cl进行处理，考察了蒸汽爆破压力和维压时间对离子液体[BMIM]Cl处理后物料酶解还原糖产率的影响。结果表明：蒸汽爆破压力2.6MPa，维压时间90s下活化秸秆原料，离子液体[BMIM]Cl处理后，酶解后还原糖产率较蒸汽爆破活化后物料提高了84.03%，较原料提高了286.83%。XRD与SEM分析结果表明，[BMIM]Cl处理后物料晶型结构转变为无定形结构，纤维素酶与底物的接触面积显著增加。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1绪 论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题研究的目的及主要内容

2 蒸汽爆破预处理工艺的优化

2.1 前言

2.2 材料和方法

2.3 结果分析与讨论

2.4 讨论

2.5 小结

3 蒸汽爆破后秸秆的处理及酶解的优化

3.1 前言

3.2 材料和方法

3.3 结果分析

3.4 讨论

3.5 小结

4 离子液体处理汽爆活化玉米秸秆及酶解

4.1 前言

4.2 材料和方法

4.3 结果分析

4.4 讨论

4.5 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 对后续工作的展望

致谢

参考文献

附 录