综合利用甘蔗渣制备低聚木糖和燃料乙醇的研究

摘要

甘蔗渣是制糖工业的废弃物,是一种纤维素和半纤维素含量较高的可再生资源,来源广泛。为了提高甘蔗渣的附加值,本研究采取碱法提取甘蔗渣的半纤维素,进而酶解生产低聚木糖(XOS)。同时,在低纤维素酶酶量下,比较了不同发酵模式利用碱处理甘蔗渣纤维素发酵生产燃料乙醇。该研究的实施,将产生一定的社会实际应用价值。
　　NaOH浓度、固液比和碱提取时间是甘蔗渣半纤维素相对提取率的重要影响因素。在单因素实验的基础上,利用响应面法设计优化提取工艺,最终得到碱法提取最佳工艺条件为:12％ NaOH(w/v),固液比2.78:50,提取时间为5.1 h。在最佳条件下,甘蔗渣半纤维素提取率达到94.5%。
　　以提取的半纤维素为底物,利用工程菌株Pichia pastoris X33克隆表达的内切木聚糖酶为催化剂,酶解制备低聚木糖。研究了酶量、pH和酶解时间对XOS组分的影响。结果表明,采用该重组酶酶解甘蔗渣半纤维素只产生木二糖和木三糖。响应面法优化结果表明:
　　(1)酶解制备木二糖的最佳工艺条件为:酶量2.51 U/g,酶解时间6.96 h,酶解温度45℃,pH5.18;
　　(2)制备木三糖的最佳工艺条件为:酶量2.60 U/g,酶解时间6.64 h,酶解温度50℃,pH6.0。
　　在各自最佳条件下,最终得到的木二糖和木三糖浓度分别是0.59和0.34 mg/mL。
　　用纤维素酶酶解碱提取后的甘蔗渣残渣,结果表明增加酶量可提高甘蔗渣酶解效率,而增加底物会降低酶解效率。纤维素酶酶量为7.5 FPU/g底物时,随着底物浓度的增加,甘蔗渣纤维素水解效率从89.27%降至75.06%,但获得的葡萄糖浓度从12.69 g/L提高到55.8 g/L。在此基础上,采用了四种不同发酵模式包括同步糖化发酵、分批补料同步糖化发酵、半同步糖化发酵和分批补料半同步糖化发酵对该残渣进行了乙醇发酵。结果表明,发酵底物浓度的增加会降低发酵效率。在底物浓度为14.62%和20%时,发酵效率分别为74.2%和62.73%,最终乙醇浓度均大于40 g/L,达到了工业乙醇蒸馏的最低要求。在低纤维素酶酶量的情况下,碱处理甘蔗渣在纤维素水解效率、发酵效率、葡萄糖浓度和乙醇浓度等方面具有有一定的优势,表明碱提取很可能是甘蔗渣综合利用的一种高效的预处理方式。

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第一章前言

1.1甘蔗渣的性质和综合利用

1.2低聚木糖

1.3燃料乙醇

1.4本论文研究意义和内容

第二章 碱法提取甘蔗渣半纤维素工艺的研究

2.1导言

2.2材料

2.3实验方法

2.4结果与分析

2.5讨论与小结

第三章酶法制备低聚木糖的研究

3.1导言

3.2材料

3.3实验方法

3.4结果与分析

3.5讨论与小结

第四章 碱处理甘蔗渣的生物转化燃料乙醇研究

4.1导言

4.2材料

4.3实验方法

4.4结果与分析

4.5讨论与小结

全文总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢