在生物乙醇生產(chǎn)中主要涉及三大工藝流程:預(yù)處理、酶水解、發(fā)酵。本文以新型的濃磷酸聯(lián)合過(guò)氧化氫(PHP)預(yù)處理小麥秸稈為研究對(duì)象,圍繞生物乙醇生產(chǎn)的工藝流程展開(kāi)PHP預(yù)處理工藝條件優(yōu)化及高基質(zhì)酶解糖化發(fā)酵研究。以期得到最優(yōu)的PHP預(yù)處理小麥秸稈的條件及其后續(xù)較適宜的高基質(zhì)酶解糖化條件、最優(yōu)的同步糖化發(fā)酵(SSF)條件,為PHP預(yù)處理產(chǎn)乙醇工藝提供參考。主要的研究結(jié)果如下:(1)在PHP預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化中,采用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)PHP預(yù)處理小麥秸稈的預(yù)處理溫度、磷酸濃度、預(yù)處理時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化,分析了小麥秸稈纖維素回收率、半纖維素去除率、木質(zhì)素去除率、酶水解率及葡萄糖收率對(duì)預(yù)處理?xiàng)l件的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明,預(yù)處理溫度、磷酸濃度、預(yù)處理時(shí)間的增強(qiáng)均對(duì)半纖維素和木質(zhì)素的去除有促進(jìn)作用。對(duì)于纖維素回收率來(lái)說(shuō),磷酸濃度是一個(gè)重要的調(diào)控因素,其次是預(yù)處理溫度和時(shí)間,這3個(gè)變量均與纖維素回收率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。增加磷酸的濃度可以提高酶水解率,然而,過(guò)多的纖維素降解會(huì)導(dǎo)致葡萄糖收率降低。額外較高的溫度或較長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)處理均不利于提高酶水解率和葡萄糖收率。以酶水解率及葡萄糖收率最大為優(yōu)化目標(biāo),最優(yōu)的PHP預(yù)處理?xiàng)l件為:在40.2°C,79.6%H_3PO_4下預(yù)處理2.9h,酶水解48 h可得到酶水解率90%,葡萄糖收率244 mg/g小麥秸稈。此外,最大的葡萄糖收率(299 mg/g小麥秸稈)可在小麥秸稈經(jīng)70.2%H_3PO_4在40°C、2 h下預(yù)處理后,酶解72 h實(shí)現(xiàn)。(2)在最優(yōu)PHP預(yù)處理小麥秸稈的條件下,對(duì)預(yù)處理后的小麥秸稈的高基質(zhì)酶解糖化進(jìn)行研究。結(jié)果表明,酶水解基質(zhì)濃度達(dá)到20%時(shí)仍可以實(shí)現(xiàn)77.4%的酶水解率,產(chǎn)生164.9 g/L葡萄糖。將預(yù)處理后的小麥秸稈自然干燥后,基質(zhì)濃度甚至可以增加到25%而酶水解率僅僅降低3.4%。在使用較低的纖維素酶(CTec2)20 mg蛋白/g纖維素添加量下,20%基質(zhì)濃度下的小麥秸稈酶水解96 h,酶水解率達(dá)72.9%。在此條件下,100 g小麥秸稈可經(jīng)過(guò)同步糖化發(fā)酵產(chǎn)生11.2 g乙醇,乙醇濃度為71.2 g/L。因此,PHP預(yù)處理后的小麥秸稈可在高基質(zhì)濃度及較低的酶添加量下獲得較高的酶水解率及乙醇產(chǎn)量。此外,在進(jìn)一步通過(guò)干燥基質(zhì)來(lái)提高基質(zhì)濃度的研究中,纖維素酶最大吸附量和直接橙/直接藍(lán)比值降低,表明由于可容納纖維素酶的孔坍塌,干燥對(duì)PHP預(yù)處理后的小麥秸稈的酶水解率有負(fù)影響。(3)在明確了高基質(zhì)酶水解特征的基礎(chǔ)上,探究了PHP最優(yōu)條件預(yù)處理后的小麥秸稈在不同的基質(zhì)濃度、酶添加量及酵母接種量下對(duì)高基質(zhì)同步糖化發(fā)酵(SSF)效果的影響。結(jié)果表明,PHP預(yù)處理后的小麥秸稈SSF的基質(zhì)濃度可以提高到20%;提高酶添加量可以顯著提高乙醇轉(zhuǎn)化率及乙醇濃度,但酶添加量仍有可能降低到10-20mg蛋白/g纖維素;過(guò)高或過(guò)低的酵母接種量對(duì)SSF均不利,合適的SSF酵母接種量為1-2 g/L。基于以上結(jié)論,采用Box-Behnken響應(yīng)面法對(duì)SSF條件進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)果顯示,在酶使用量及酵母接種量最低條件下,以乙醇轉(zhuǎn)化率及乙醇濃度最大為優(yōu)化目標(biāo),SSF最優(yōu)條件是在基質(zhì)濃度為15.3%時(shí)添加CTec2酶13.2 mg蛋白/g纖維素,接種酵母1.0 g/L,SSF 120 h后,得到實(shí)際的乙醇濃度為69.9 g/L,乙醇轉(zhuǎn)化率為88.2%。在此條件下,100 g小麥秸稈可經(jīng)過(guò)同步糖化發(fā)酵產(chǎn)生15.5 g乙醇。
【學(xué)位單位】：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X712;TK6
【部分圖文】：

小麥秸稈的纖維素，半纖維素和木質(zhì)素含量分別在 35%-45%, 20%-30%和 8%-15% (w/w)范圍內(nèi)[10]。如圖1-1 所示，纖維素分子鏈?zhǔn)蔷o密排列在一起的，因此水和酶都很難穿透其結(jié)構(gòu)；木質(zhì)素和半纖維素則分別依靠化學(xué)鍵和氫鍵緊密的纏繞排列在纖維素之間，對(duì)纖維素組分形成了包圍[16]。因此，與蔗糖或淀粉不同，由于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，來(lái)自小麥秸稈的乙醇生產(chǎn)首先需要進(jìn)行預(yù)處理，使纖維素易于進(jìn)行有效的酶解聚合。圖 1-1 植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1-1 Structure of plant cell wall

研究Fig.1-2Tech高基質(zhì)同步糖化發(fā)酵(SSF)

濃度及較長(zhǎng)時(shí)間的處理下氫離子活性增強(qiáng)[5]。由圖2-1可以看出在較高的H3PO4濃度下，半纖維素去除率在較高溫度（60°C）或長(zhǎng)時(shí)間（6.0h）預(yù)處理時(shí)有輕微的降低，這表明半纖維素的去除部分是由于 PHP 的氧化作用，PHP 在反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧酸，如 H3PO5、H4P2O8等，其氧化性可由磷酸與過(guò)氧化氫的比例來(lái)調(diào)控。對(duì)于木質(zhì)素的響應(yīng)，擬合得到木質(zhì)素去除率隨各個(gè)預(yù)處理?xiàng)l件變化的多項(xiàng)式如下：Y木質(zhì)素去除率= +82.66+1.78X1+1.84X2+1.72X3-0.20X1X2-0.61X1X3-0.65X2X3-1.71X12-0.19X22+1.21X32公式（11）如表 2-4 所示，木質(zhì)素的去除率由 76.1%-86.4%。這明顯比半纖維素去除率低
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