纤维素酶高效水解、回收再用与反应机理的研究

摘要

针对燃料乙醇生产中酶解糖化工段低效率、高成本问题，本论文以农林废弃物玉米芯为原料，探究纤维素酶解历程反应机制，开发了多酶复配工艺提高酶解效率，高浓底物反应提高乙醇浓度，利用底物重吸附法实现了纤维素酶回收再用，最后考察了酶膜反应器在木质纤维素酶解工艺中的应用。
　　1.反应机理研究：①纯纤维素，以微晶纤维素和滤纸纤维素酶解过程固态剩余物为研究对象，利用色谱、光谱手段跟踪酶解历程，剖析酶解机理。发现CBH对纤维素结晶区逐层剪切，是酶效率低的主要原因；EG快速随机剪切。底物在水解过程中刚性变大，分子间和分子内氢键增强。②木质纤维素，在微观尺度考察了葡萄糖和木糖释放动力学曲线；介观尺度测定固体残余物分子量和分子尺寸分布、结晶度及氢键改变程度。
　　2.多酶复配：纤维素酶和β-葡萄糖苷酶适宜添加量分别为每克纤维素30FPU和30CBU。补加木聚糖酶或果胶酶可提高葡萄糖和木糖得率，果胶酶更优，添加0.12 mg蛋白，24h葡萄糖和木糖得率提高了12.9％和29.3%。
　　3.高浓底物同步糖化共发酵：重组菌Z. mobilis可同时利用葡萄糖和木糖产醇；将该工程菌用于玉米芯同步糖化共发酵工艺中，通过条件优化得初始底物浓度15%下，接种量0.30 g/L，pH5.5，30 oC，乙醇浓度达49.24 g/L，乙醇得率85.18%；采用补料量为10%时，得到了高乙醇浓度为60.52 g/L。
　　4.高浓底物同步糖化发酵：耦合预处理可去除大量半纤维素和木质素，提高底物纤维素含量和体积密度，有利于高浓底物给料；H2SO4-NaOH预处理，给料浓度19%，补料量每4h补料1%，共补料6%条件下，得96h乙醇浓度为84.7g/L，大大超过了乙醇精馏经济性运行要求。
　　5. SSF后酶的重吸附回收：考察了酶解与SSF过程中纤维素酶的吸/脱附行为；通过工艺条件优化，得给料浓度15%，加酶量每克纤维素30FPU，pH5.0条件下，连续两轮SSF单位反应器中纤维素转化和乙醇生产分别为未回收酶的2.1和1.8倍；纤维素酶剂量为每克纤维素45 FPU时，两轮乙醇浓度均保持在42 g/L，可实现两轮半连续SSF生产。
　　6.半连续分批补料酶膜反应器的构建及应用：将半连续分批补料酶膜反应器应用于氨水浸泡和硫酸-氢氧化钠H2SO4-NaOH玉米芯酶解反应，单位体积反应器产生葡萄浓度为37.5 g/L和121.5 g/L，分别是间歇补料方式下的1.52和1.74倍，是间歇酶膜反应器的2.07和2.84倍。

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前 言

第一章 文献综述

1.1 纤维素燃料乙醇研究背景

1.2 生物炼制产乙醇工艺

1.3 纤维素酶及酶解机理研究

1.4 工艺强化及成本降低

1.5 本文研究思路

第二章 纯纤维素酶解历程多尺度表征与纤维素酶作用机理

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.3 结果与讨论

2.4小结

第三章 木质纤维素酶解历程多尺度表征与酶解机理初步探究

3.1 前言

3.2 实验材料与方法

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 多酶复配优化木质纤维素酶解

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

2.5结果与讨论

4.4 小结

第五章 分批补料下高浓底物同步糖化共发酵

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第六章 耦合预处理后高浓底物分批补料同步糖化发酵

6.1 引言

6.2 实验材料与方法

6.3 结果与讨论

6.4 小结

第七章 高浓底物SSF过程纤维素酶吸脱附行为及重吸附再利用

7.1 引言

7.2 实验材料与方法

7.3 结果与讨论

7.4 小结

第八章 酶膜反应器实现高效酶解及酶的回收

8.1 引言

8.2 实验材料与方法

8.3 结果与讨论

8.4 小结

第九章 结论与展望

9.1 结论

9.2 主要创新点

9.3 展望

参考文献

攻博期间发表论文和参加科研情况说明

附录一:HPLC测定水解发酵产物浓度标准曲线

致谢