相思木乙酸预处理及酶水解过程的分形表征

摘要

随着经济全球化、科技进步以及人们生活水平的提高，世界范围内的资源匮乏、能源危机与环境污染问题日渐加剧，亟需开发可再生的生物质能源，利用木质纤维素生产燃料乙醇得到人们的广泛关注。预处理及酶水解是转化过程中的关键步骤，有必要对其进行深入研究。
　　本文以相思木为研究对象，经乙酸预处理后再酶水解，采用紫外-可见分光光度法(UV-Vis)、X-射线衍射法(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重-红外联用(TG-IR)、核磁共振磷谱(31p-NMR)和低温氮气吸附法等分析手段对整个过程中液体、固体试样的化学组成、功能结构与微观结构进行分析表征。为研究不同预处理条件对相思木分形结构的影响，首先探讨分维的计算方法并进行比较分析，揭示分维与化学组成、功能结构及微观结构之间的关系，在此基础上建立分形结构模型。通过研究预处理及酶解条件（预处理温度、乙酸用量、底物浓度、葡萄糖抑制、酶用量和吐温-80用量）对酶解糖得率的影响，利用改进的分形动力学模型，探讨酶解反应速率常数k与分形指数h的变化规律。
　　相思木乙酸预处理并三段磨浆后所得浆样的酶水解实验结果显示，预处理温度及乙酸用量均对酶解效果产生一定影响，且温度越高或乙酸用量越大，酶解效率越高。浆样经PFI磨浆后，纤维素的结晶度指数下降，部分纤维变成了纤维碎片，分丝帚化现象也较明显，酶解效率显著提高。
　　化学组分及结构表征结果表明，相思木经乙酸预处理后，部分半纤维素和少量木素小分子被降解溶出，纤维素的结晶度指数下降了11.31％。木片表面变得极不完整，且生成大量孔洞，酶解残渣纤维长度变短，部分纤维碎片化。DTG曲线上在280℃左右明显缺少一个肩峰，该峰主要由半纤维素分解所导致。木素的脂肪族羟基含量有不同程度降低，而各类酚羟基含量增加，且酚型/非酚型羟基比随着预处理温度的升高而下降，S/G比例也增加。
　　相思木原料及浆样的多孔结构具有分形特性且其分形维数介于2～3之间，符合分维定义。乙酸预处理后，试样分维值上升，说明孔结构的不规则程度提高，且预处理温度越高，对应分维越小。比较分形维数的两种不同计算方法，二者拟合的孔径范围不同，郁伯铭(YBM)分维较FHH分维拟合范围更宽泛，导致线性相关系数相对较低。此外，分形维数与化学组成、结晶度及木素酚型/非酚型比之间存在一定相关性。其中，分维随纤维素或木质素含量的增加大体呈下降趋势，而随半纤维素含量、纤维素结晶度或木素酚型/非酚型比的增大而增加。结构分形模型显示，木质素对试样的结构分维起主要作用，其它因素的影响均不太显著。
　　酶水解动力学的研究结果表明，随着预处理温度的升高，反应速率常数k增大，分形指数h无规律性变化。增加乙酸用量，速率常数k增加，分形指数h变化不明显。增加纤维素酶用量或酶解底物浓度使h增加，对应的k值，前者也呈上升趋势，而后者却减小。酶解体系中添加葡萄糖后，k和h值均会降低。Tween-80的促进作用在于降低了木质素的抑制，表现为分形指数h的降低及反应速率常数k的升高。

目录

摘要

1 绪论

1．1 燃料乙醇的发展

1．2 木质纤维素的化学组成及结构

1．2．1 纤维素

1．2．2 半纤维素

1．2．3 木质素

1．3 木质纤维素预处理技术

1．3．1 化学法

1．3．2 物理法

1．3．3 生物法

1．3．4 组合法

1．4 分形理论在结构研究中的应用

1．4．1 分形的产生与发展

1．4．2 多孔结构的分形表征

1．5 木质纤维素酶水解及反应动力学

1．5．1 酶水解机理

1．5．2 酶水解的影响因素

1．5．3 反应动力学

1．5．4 分形动力学

1．6 本论文研究的目的及主要内容

1．6．1 选题的目的和意义

1．6．2 主要研究内容

2 乙酸预处理对相思木酶解糖化效果的影响

2．1 实验原料与试剂

2．2 实验仪器及设备

2．3 实验方法

2．3．1 乙酸预处理及三段磨浆

2．3．2 PFI磨浆

2．3．3 主要试剂的配制

2．3．4 纤维素酶活测定

2．3．5 酶水解

2．3．6 固含量分析

2．3．7 还原糖分析

2．3．8 XRD分析

2．3．9 扫描电镜分析

2．4 结果与讨论

2．4．1 温度及乙酸用量对预处理效果的影响

2．4．2 预处理温度对酶解糖得率的影响

2．4．3 乙酸用量对酶解糖得率的影响

2．4．4 PFI磨浆转数对酶解糖得率的影响

2．4．5 酶解底物表征

2．5 小结

3 乙酸预处理及酶解前后相思木的结构表征

3．1 实验

3．1．1 实验原料及试剂

3．1．2 实验仪器设备

3．1．3 实验方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 乙酸预处理对试样组分的影响

3．2．2 预处理对纤维素结晶性能的影响

3．2．3 预处理前后试样的热重红外分析(TG-IR)

3．2．4 预处理对木素结构的影响

3．2．5 预处理前后试样的SEM分析

3．3 小结

4 孔结构分析与分形结构模型构建

4．1 实验

4．1．1 实验原料及设备

4．1．2 预处理

4．1．3 孔结构分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 预处理温度对孔结构的影响

4．2．2 预处理温度对浆样分维的影响

4．2．3 分形结构模型构建

4．3 小结

5 酶水解分形动力学研究

5．1 实验

5．1．1 实验材料及仪器

5．1．2 预处理

5．1．3 酶水解

5．1．4 酶解液中还原糖分析

5．2 分形动力学分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 预处理温度对底物酶解糖化的影响

5．3．2 乙酸用量对底物酶解糖化的影响

5．3．3 底物浓度及葡萄糖抑制对酶解糖化的影响

5．3．4 纤维素酶用量对底物酶解糖化的影响

5．3．5 Tween-80用量对底物酶解糖化的影响

5．4 小结

6 结论、创新点与建议

6．1 结论

6．2 论文创新点

6．3 建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

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