机械活化-金属盐协同预处理甘蔗渣及其酶解糖化的研究

摘要

随着全球环境污染的日益加剧和自然资源急剧耗竭，寻找和开发绿色、经济、可再生的新能源代替传统的石化能源迫在眉睫。木质纤维素是自然界中分布最广、含量最丰富的可再生资源，将其通过生物精炼转化为燃料乙醇具有广阔的发展前景。然而木质纤维素致密的网状结构以及纤维素自身高度结晶的稳定结构，使得纤维素难于被酶试剂所触及。因此提高木质纤维素的可及度和酶解反应活性己成为木质纤维素开发利用的重要研究内容。
　　在本课题组前期研究的基础上，本文将机械活化-金属盐协同作用的方法应用于木质纤维素的活化预处理，以甘蔗渣为木质纤维素原料，金属盐为助剂，研究机械活化-金属盐对甘蔗渣的固相协同作用效果，考察金属盐种类及金属盐用量对甘蔗渣结构性质及酶解糖化效果的影响。实验结果表明:效果较佳的金属盐及其用量(相对甘蔗渣的质量百分比)分别为:氯化铝、硝酸铝、氯化铁、硝酸铁，用量分别为2.0、2.5、2.5、3.5％;固定机械活化温度50℃、转速500rpm、时间60min、酶活用量12FPU·g-1底物、金属盐用量为最佳用量，单独机械活化预处理后甘蔗渣酶解糖化率为34.7％，机械活化-氯化铝、硝酸铝、氯化铁、硝酸铁预处理后甘蔗渣的酶解糖化率分别为79.68、65.18、65.33、68.96％;SEM分析显示，单独机械活化及机械活化-金属盐预处理后的甘蔗渣表面结构变化明显，由平滑的片状、条状断裂为颗粒状;XRD分析显示，单独机械活化及机械活化-金属盐预处理后的甘蔗渣结晶度都有所下降，单独机械活化后甘蔗渣结晶度由53.11％降至20.77％，机械活化-氯化铝预处理后甘蔗渣结晶度降至10.19％;FITR分析显示，预处理后甘蔗渣均没有新的官能团产生。
　　以优选出的金属盐为助剂，考察机械活化温度、转速、时间及酶活用量对甘蔗渣酶解糖化效果的影响，并结合SEM、XRD、FTIR对预处理前后的甘蔗渣进行结构表征，进一步考察机械活化温度、转速、时间对甘蔗渣结构性质的影响规律。实验结果表明:机械活化转速、时间及酶活用量的增加，对甘蔗渣酶解糖化率的增加有明显的促进作用，而机械活化温度对提高甘蔗渣的酶解糖化效果影响不大;SEM分析显示，随着机械活化转速和时间的增加，甘蔗渣表面结构的破坏越为明显，在较低的机械活化转速和较短的机械活化时间作用时，甘蔗渣由平滑的片状结构断裂成条状或块状结构，而在较高的机械活化转速和较长的机械活化时间作用时则变成颗粒状、粉末状的结构;XRD分析显示，机械活化转速和时间对甘蔗渣结晶结构的破坏效果显著，随着机械活化转速和时间的增加，甘蔗渣结晶度不断下降。
　　对甘蔗渣和综纤维的酶解效果的研究显示，木质素对甘蔗渣的酶解效果有一定的影响。对甘蔗渣、综纤维、木质素样品酶解上清液剩余酶活的测定结果显示，通过单独机械活化和机械活化-金属盐预处理能破坏甘蔗渣和综纤维的孔洞结构，减少其对酶的无效吸附。对预处理前后木质素结构性质分析显示，单独机械活化及机械活化-金属盐预处理可以使木质素羟基含量增加，甲氧基含量减少。综上所述机械活化-金属盐预处理对木质纤维素的协同作用机理不仅体现为破坏其致密的网状结构和稳定的结晶结构，同时体现为改变木质素的分子结构，增加其亲水基团的含量，进而增加酶解底物对酶的亲和能力，提高木质纤维素底物的酶解糖化率。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题背景

1．2 木质纤维素概况及其结构组成

1．2．1 纤维素

1．2．2 半纤维素

1．2．3 木质素

1．3 木质纤维素的预处理技术

1．3．1 物理法

1．3．2 化学法

1．3．3 物理化学法

1．3．4 生物法

1．4 金属盐及其应用

1．5 机械活化技术

1．5．1 机械活化的基本原理

1．5．2 机械活化技术的应用

1．6 木质纤维素的酶水解技术

1．7 研究意义与研究内容

1．7．1 研究意义

1．7．2 研究内容

第二章 金属盐种类及其用量对甘蔗渣结构特性与酶解效果的影响

2．1 实验药品与设备

2．1．1 实验原料及药品

2．1．2 主要实验仪器与设备

2．2 实验方法

2．2．1 甘蔗渣预处理

2．2．2 实验主要溶液的配制

2．2．3 纤维素酶酶活力的测定

2．2．4 标准曲线的绘制

2．2．5 样品酶解方法

2．2．6 扫描电镜分析

2．2．7 X射线衍射分析

2．2．8 傅立叶变换红外光谱分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 金属盐种类对甘蔗渣酶解糖化率的影响

2．3．2 金属盐用量对甘蔗渣酶解糖化率的影响

2．3．3 不同预处理对甘蔗渣结构性质的影响

2．4 本章小结

第三章 机械活化-金属盐协同预处理工艺条件对甘蔗渣作用效果的影响

3．1 实验部分

3．1．1 主要实验原料及药品

3．1．2 主要实验仪器设备

3．1．3 实验方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 机械活化转速对甘蔗渣酶解糖化率及结构性质的影响

3．2．2 机械活化时间对甘蔗渣酶解糖化率及结构性质的影响

3．2．3 机械活化温度对甘蔗渣酶解糖化率及结构性质的影响

3．2．4 酶活用量对甘蔗渣酶解糖化的影响

3．3 本章小结

第四章 机械活化-金属盐固相协同预处理甘蔗渣的机理探讨

4．1 实验部分

4．1．1 主要实验原料及药品

4．2．2 甘蔗渣木质素的提取

4．2．3 木质素结构性质分析

4．2．4 研究方案

4．3 结果与讨论

4．3．1 金属盐种类对综纤维酶解糖化率及结构性质的影响

4．3．2 机械活化时间对综纤维酶解糖化率及结构性质的影响

4．3．3 木质素对酶活的影响

4．3．4 机械活-金属盐预处理对木质素结构性质的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢