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木质纤维素酶法水解条件的研究

作　者: 麻星星
导　师: 张栩
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 木质纤维素纤维素酶纤维素预处理红外核磁 X光衍射
分类号: TQ352.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本课题主要以木薯渣和甜高粱渣等纤维素材料的预处理和酶解为研究内容,寻找解决植物纤维素生物转化酶解的瓶颈的途径,为纤维素燃料乙醇的生产提供依据。对于木薯渣酶解,通过1%的稀硫酸在120℃下预处理30-90min,当纤维素酶的添加量为20 FPU／g底物,在一定条件下酶解,纤维素转化率能达到80%左右,比没有经过处理的木薯渣酶解效率(62%)提高30%以上。对于高固含量的木薯渣酶解体系,分批补料酶解能够减少酶解液中的产物抑制作用,通过酶与底物按固定比例分两次加入分批补料的方法,对于固含量为25%的酶解体系,纤维素转化率可以达到84%,葡萄糖浓度和木糖浓度分别能达到39.5 g／L和7.8 g／L。通过这种分批补料方式,水解木薯渣产生的糖能够满足燃料乙醇生产的需要。对于甜高粱渣酶解,研究发现120℃低温稀酸预处理的对甜高粱渣酶解的促进作用有限,当稀酸预处理温度达到150-180℃时,甜高粱渣的半纤维素含量降低到了2%左右,甜高粱渣表面出现大量小孔,增加了甜高粱渣的纤维素的表面积和可及性,从而对酶解有利。当稀酸预处理温度达到180℃时,酶解甜高粱渣的纤维素转化率达到50%左右,葡萄糖浓度达到25 g／L左右,分别比未经过处理的甜高粱渣的转化率和葡萄糖浓度提高了33%和95%。高温预处理对酶解甜高粱渣的促进作用非常明显。离子液体、爆破、碱处理和稀酸高温四种预处理方法对纤维素的结构影响实验表明：爆破和稀酸高温预处理对酶解的促进作用最强,其中爆破酶解纤维素转化率达到70%作用,是未经处理的甜高粱渣的酶解转化率的2.5倍。最终,预处理对酶解转化率的促进的大小顺序为爆破>稀酸高温>碱处理>离子液体。电镜照片显示,预处理后的甜高粱纤维素表面不同程度地出现裂缝、沟壑和小孔洞。预处理破坏了纤维素的内部结构,增加了纤维素的表面积和纤维素酶的可及性。红外、XRD、核磁检测结果表明,几种预处理对纤维素酶解的促进作用的主要方式是：都不同程度地减小了纤维素的晶粒尺寸,改变了天然纤维素的晶型,促进纤维素由Ⅰα和Ⅰβ晶型向表面微纤和无定形纤维素转变,从而降低了结晶度,改变了纤维素的内部结构和纤维素酶对纤维素的可及性,促进纤维素酶解效率。其中起主要作用的因素是甜高粱渣内部纤维素的可及性和表面纤维素的接触面积、纤维素内部分子之间的键的作用和纤维素由晶型Ⅰα和Ⅰβ向次晶的转化,无定形纤维素和结晶表面微纤维的生成。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-23
  1.1 世界能源危机  11
  1.2 中国的能源状况  11-12
  1.3 替代能源——燃料乙醇  12
  1.4 纤维素燃料乙醇  12-13
  1.5 木质纤维素的结构  13-14
  1.6 纤维素酶的组成  14-15
  1.7 纤维素酶解的限制因素  15-16
  1.8 纤维素的预处理方式  16-20
  1.10 本课题的目的和意义  20-21
  1.11 研究的内容  21-23
第二章木薯渣的酶解条件及优化  23-37
  2.1 引言  23
  2.2 材料和方法  23-27
    2.2.1 实验材料  23-24
    2.2.2 木薯渣预处理  24
    2.2.3 纤维素酶活的测定  24-25
    2.2.4 糖浓度的检测  25-26
    2.2.5 酶解条件  26-27
    2.2.6 纤维素的转化率  27
  2.3 结果与讨论  27-35
    2.3.1 预处理对酶解的影响  27-30
    2.3.2 底物浓度的影响  30-31
    2.3.3 表面活性剂的影响  31-34
    2.3.4 分批补料补酶的研究  34-35
  2.4 本章小结  35-37
第三章甜高粱渣的酶解条件及优化  37-51
  3.1 引言  37-38
  3.2 材料及方法  38-40
    3.2.1 实验材料  38
    3.2.2 甜高粱渣稀酸预处理  38
    3.2.3 酶解及超声实验  38-39
    3.2.4 扫描电镜观察  39-40
    3.2.5 酶解液糖浓度的检测  40
  3.3 结果与讨论  40-49
    3.3.1 低温稀酸预处理甜高粱渣的成分分析  40-41
    3.3.2 低温预处理高粱渣酶解的比较  41
    3.3.3 加酶量的比较  41-43
    3.3.4 超声对酶解的影响  43-44
    3.3.5 超声对纤维素酶酶活的影响  44-45
    3.3.6 不同温度稀酸预处理的甜高粱渣成分分析的比较  45-46
    3.3.7 不同温度预处理的电镜照片分析  46-48
    3.3.8 高温稀酸预处理甜高粱渣的酶解的比较  48-49
  3.4 本章小结  49-51
第四章预处理方法对纤维素结构的影响  51-69
  4.1 引言  51
  4.2 材料和方法  51-54
    4.2.1 实验材料  51
    4.2.2 纤维素预处理  51-52
    4.2.3 酶解条件  52
    4.2.4 酶解液糖浓度的测定  52
    4.2.5 仪器检测条件及计算  52-54
  4.3 结果与讨论  54-67
    4.3.1 不同预处理纤维素含量测定结果  54-55
    4.3.2 不同预处理纤维素的酶解结果比较  55-56
    4.3.3 电镜检测纤维素的鉴定结果比较  56-58
    4.3.4 红外检测纤维素结构的结果比较  58-59
    4.3.5 XRD检测纤维素结构的结果比较  59-63
    4.3.6 核磁检测纤维素结构的结果比较  63-67
  4.4 本章小结  67-69
第五章结论  69-71
第六章问题和建议  71-73
参考文献  73-77
附录  77-79
致谢  79-81
研究成果及发表的学术论文  81-83
作者及导师简介  83-84
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  84-85

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