木质纤维素超临界二氧化碳超声预处理强化酶水解工艺研究

摘要

化石原料的日益枯竭及其使用所带来的环境危机推动了可再生能源的发展。生物质作为化石原料的可替代能源，因其分布广泛、产量巨大、成本低和可再生性等优点而成为研究的热点。木质纤维素水解为还原糖，再经发酵制取燃料乙醇是生物质能利用的一个重要方向。在现有水解技术的基础上，探索绿色高效的预处理技术，以获得较高的还原糖产率是当前工作的重点。scCO2因其环境友好、化学性质稳定和廉价易得等优点而成为超临界的首选溶剂，在超临界技术领域具有广阔的应用前景。
　　本文对木质纤维素类生物质预处理技术进行了探讨。重点研究了玉米芯、高粱秆、玉米秸秆及稻秆的scCO2，用酶水解对预处理的效果进行评价，并分别考察了超声预处理、scCO2耦合超声预处理以及以水和乙醇为共溶剂的scCO2预处理对于玉米芯和玉米秸秆酶水解的强化，通过XRD和SEM等表征结果阐明预处理的作用机理，得到如下结果:
　　1.分别以玉米芯、高粱秆、玉米秸秆和稻秆为原料，使用scCO2进行预处理，研究预处理过程中预处理时间、温度、压力以及水-干基重量比等因素对酶水解后还原糖产率的影响，探索不同原料的最佳预处理条件。实验结果表明，对于不同种类的木质纤维素，scCO2预处理的效果存在差异，不同原料在其最佳scCO2预处理条件下的还原糖产率分别为:玉米芯63.2％，高粱秆54.1％，玉米秸秆50.2％，稻秆57.3％，较未处理样品分别提高了49.6％、44.4％、34％和28％。通过预处理前后样品的SEM表征结果可以看出scCO2预处理显著破坏了原料的微观结构，提高了纤维素酶对纤维素的可接触表面积，从而增加了原料的还原糖产率。
　　2.分别以玉米芯和玉米秸秆为原料，使用超声进行预处理，研究预处理过程中超声时间、温度以及溶媒比等因素对酶水解后还原糖产率的影响，探索不同原料的最佳预处理条件。实验结果表明，玉米芯和玉米秸秆在其最佳超声预处理条件下的还原糖产率分别为15.9％和21.5％，较未处理样品分别相对增加了16.9％和32.7％。
　　3.分别以玉米芯和玉米秸秆为原料，使用scCO2与超声耦合过程对其进行预处理，考察超声时间对酶水解后还原糖产率的影响，探索最佳的超声时间。实验结果表明，玉米芯和玉米秸秆在其最佳scCO2祸合超声预处理条件下的还原糖产率分别为66.5％和54.4％，较未处理样品分别增加了52.9％和38.2％。通过耦合预处理和单纯scCO2预处理后样品的SEM表征结果可以看出，相比于单纯scCO2预处理，scCO2耦合超声预处理可以更大程度上破坏木质纤维素的表面结构，从而提高了还原糖产率。
　　4.以玉米芯和玉米秸秆为原料，使用以水和乙醇为共溶剂的scCO2进行预处理，在原料最佳水-干基重量比不变的条件下，考察乙醇-水体积比对酶水解后还原糖产率的影响，探索最佳的乙醇-水体积比。实验结果表明，玉米芯在其最佳的乙醇-水体积比时的还原糖产率为60.5％，较scCO2预处理时的还原糖产率降低了2.7％，而玉米秸秆在其最佳的乙醇-水体积比时的还原糖产率为53.5％，较scCO2预处理时的还原糖产率增加了3.3％，并未发生显著的增加，甚至玉米芯的还原糖产率有所降低，因此，还需进一步研究。