【摘要】：利用生物質(zhì)資源生產(chǎn)生物燃料和大宗化學(xué)品,是解決當(dāng)前能源和環(huán)境危機(jī)最重要的方式之一。作為世界上唯一可大規(guī)模再生的資源,生物質(zhì)資源,尤其是木質(zhì)纖維素原料并未被完全的開(kāi)發(fā)利用。其中,纖維素酶的成本過(guò)高成為限制木質(zhì)纖維素綜合利用,尤其是限制木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化乙醇技術(shù)工業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。如何提高木質(zhì)纖維素的降解效率,減少纖維素酶用量成為了關(guān)鍵問(wèn)題。作為一種重要的纖維素酶生產(chǎn)菌株,草酸青霉分泌的纖維素酶有酶系較全,穩(wěn)定性較高等優(yōu)點(diǎn),是世界范圍內(nèi)該領(lǐng)域研究最為廣泛的菌株之一。本實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)篩選獲得了能夠穩(wěn)定生產(chǎn)纖維素酶的草酸青霉菌株,通過(guò)幾十年的誘變及改造,其生產(chǎn)分泌的纖維素酶能夠有效地降解木質(zhì)纖維素,但是距離工業(yè)化生產(chǎn)仍有不小的距離。如何提高草酸青霉纖維素酶對(duì)木質(zhì)纖維素的降解效率,尤其是高固含量下的降解效率,減少纖維素酶用量,從而降低生產(chǎn)成本,成為纖維素乙醇工業(yè)化的關(guān)鍵�；谝陨媳尘�,本論文以草酸青霉纖維素酶為主要研究對(duì)象,分別在工藝因素、纖維素酶系組成、纖維素酶輔助因子和單酶組分性質(zhì)等方面,對(duì)草酸青霉纖維素酶降解能力的不足進(jìn)行了分析,并提出對(duì)應(yīng)的解決策略,以期提高其對(duì)木質(zhì)纖維素原料的降解效率。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.傳質(zhì)限制在高固含量條件下對(duì)纖維素轉(zhuǎn)化率的影響及解決策略在高固含量下進(jìn)行木質(zhì)纖維素酶水解有非常大的優(yōu)勢(shì)。但是,隨著反應(yīng)體系中固含量的提高,纖維素轉(zhuǎn)化率會(huì)逐漸降低。其中,隨著固含量提高而出現(xiàn)的傳質(zhì)限制可能是引起這一效應(yīng)的重要因素。使用脫木素木糖渣做底物,當(dāng)固含量上升到20%左右時(shí),傳質(zhì)限制取代葡萄糖抑制,成為對(duì)酶水解最主要的抑制因素。木質(zhì)纖維素的液化能夠有效的促進(jìn)其糖化效率的提高。高固含量下的傳質(zhì)效率影響因素包括機(jī)械因素和原料性質(zhì)。機(jī)械因素包括反應(yīng)器裝料量和攪拌速度。當(dāng)固含量超過(guò)15%時(shí),傳質(zhì)效率與裝料量和攪拌速度緊密相關(guān)。酶水解所采用的原料性質(zhì)對(duì)傳質(zhì)效率影響很大。同等固含量下,不同預(yù)處理加工后的玉米秸稈在酶水解時(shí)的粘度差異很大,進(jìn)而導(dǎo)致水解效率的差異。為了解決傳質(zhì)限制的問(wèn)題,本研究分別嘗試采用了預(yù)混法、補(bǔ)料法和新型臥式反應(yīng)器來(lái)改善傳質(zhì)效果,發(fā)現(xiàn)酶水解的固含量在15%以上時(shí),其纖維素轉(zhuǎn)化率均得到有效提高。其中,臥式反應(yīng)器的提升效率最為明顯。2.原料特異性木質(zhì)纖維素酶酶系組成優(yōu)化及機(jī)理研究纖維素酶是一種復(fù)合酶系,包括內(nèi)切葡聚糖酶(EG),外切葡聚糖酶(纖維二糖水解酶,CBH)和β-葡萄糖苷酶(BG)等。纖維素的酶水解就是通過(guò)幾種酶協(xié)同作用,共同將其降解為可溶性的葡萄糖的過(guò)程。不同的原料對(duì)纖維素酶系組成的偏好有所不同。選擇草酸青霉纖維素酶中含量較高的三種酶,EGII、CBHI和BGI,采用混料設(shè)計(jì)的方式分析了針對(duì)不同預(yù)處理纖維素原料在不同固含量下的最佳酶配比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),預(yù)處理方式對(duì)高效降解所需最佳酶配比有非常大的影響。酸處理和亞硫酸銨處理分別需要更多的CBHI和EGII。隨著固含量的提高,最佳酶配比也發(fā)生顯著改變。上述差異主要與預(yù)處理后原料的性質(zhì),如殘留的木素含量和纖維素的結(jié)晶形態(tài)有關(guān)。利用最佳配比的酶系進(jìn)行纖維素原料的降解,纖維素轉(zhuǎn)化率能得到顯著的提高�；谝陨侠碚摲治�,發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同預(yù)處理后的纖維素原料需要不同的產(chǎn)酶菌株改造策略,才能達(dá)到最佳的降解效率。3.化合物和輔助協(xié)同蛋白對(duì)木質(zhì)纖維素降解的影響研究在高固含量的酶水解中,需要比低固含量更高的酶加量才能達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)化效率。為了降低酶解過(guò)程中纖維素酶加量,我們將四種化合物和三種輔助蛋白分別添加進(jìn)酶解體系中,分析了其對(duì)纖維素轉(zhuǎn)化的影響及酶用量降低的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn),預(yù)處理后原料性質(zhì)和固含量對(duì)幾種添加物的效果有非常大的影響。對(duì)于酸處理后脫去了木聚糖,但殘留木素較多的木糖渣來(lái)說(shuō),PEG 6000的效果最為顯著,而且對(duì)纖維素轉(zhuǎn)化率的促進(jìn)效果幾乎不受固含量的影響。在20%固含量的木糖渣的酶水解中,添加PEG 6000可以降低大約一半左右的酶用量。裂解性多糖單加氧酶對(duì)亞硫酸銨處理原料的作用效果最為顯著,在20%固含量酶水解時(shí)也可以降低約一半的酶用量。通過(guò)幾種添加物對(duì)純纖維素和不同復(fù)雜木質(zhì)纖維素原料酶水解的作用,發(fā)現(xiàn)預(yù)處理方式對(duì)其促進(jìn)效果影響顯著。4.草酸青霉纖維素酶降解結(jié)晶纖維素限制因素的解析及改進(jìn)策略工業(yè)纖維素酶大部分是由里氏木霉生產(chǎn)的。草酸青霉纖維素酶在木糖渣的降解中,產(chǎn)糖速率和最終纖維素轉(zhuǎn)化率都明顯低于里氏木霉纖維素酶。但是,在對(duì)亞硫酸銨預(yù)處理小麥秸稈的酶解中,兩者的效率基本一致。對(duì)于主要含有結(jié)晶I型纖維素的微晶纖維素來(lái)說(shuō),兩種纖維素酶的降解效率也明顯不同,其中有56%的纖維素難以被草酸青霉纖維素酶降解。研究顯示,兩種纖維素酶降解效率的差異,取決于兩酶系中CBHI降解結(jié)晶纖維素效率的差異。通過(guò)功能域置換發(fā)現(xiàn),里氏木霉CBHI中的非催化結(jié)構(gòu)區(qū)域(linker+CBM)決定了其降解結(jié)晶纖維素的高效性。兩者非催化結(jié)構(gòu)區(qū)域之間的差異也部分解釋了里氏木霉纖維素酶能夠相對(duì)高效地降解天然結(jié)晶纖維素原料的現(xiàn)象,揭示了非催化結(jié)構(gòu)區(qū)域在決定纖維素酶降解能力中起到重要的作用。加入來(lái)源于里氏木霉的CBHI,能夠有效提升草酸青霉纖維素酶系降解結(jié)晶纖維素的能力。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ353;TQ925
【圖文】：

圖１．１邋２０１５年世界各國(guó)燃料乙醇產(chǎn)量占比逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｅｔｈａｎｏｌ邋ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ逡逑加拿大纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也居于世界前列，加拿大Ｉｏｇｅｎ公司在２０立了纖維素乙醇中試工廠，將生產(chǎn)的乙醇以１５％比例與石油混合，并出公用車(chē)輛和公司使用。逡逑

纖維素是一種葡萄糖基直鏈結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)Ｐ－１．４－糖苷鍵連接。不同的纖維逡逑素鏈之間通過(guò)氫鍵與范德華力相互作用，大約２４－３６個(gè)纖維素鏈組成微纖絲結(jié)構(gòu)逡逑（Ｓｏｍｅｒｖｉｌｌｅ邋＆邋Ｙｏｕｎｇｓ，邋２００４）（圖１．３）。在纖維素鏈中，相鄰的兩個(gè)葡萄糖單元逡逑互為翻轉(zhuǎn)１８０度，所以纖維二糖是纖維素鏈的重復(fù)單元（Ｈｏｒｎｅｔ邋ａｌ．，邋２０１２）。纖逡逑維素鏈中葡萄糖基的個(gè)數(shù)稱(chēng)作纖維素的聚合度，天然纖維素鏈的聚合度都超過(guò)逡逑１０００，纖維素的降解本質(zhì)上是纖維素聚合度降低的過(guò)程。逡逑半纖維素是一種異質(zhì)性的多支鏈聚糖，與纖維素的直鏈結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別。半逡逑纖維素的組成包括戊糖（Ｐ－Ｄ－木糖和（ｘ－Ｌ－阿拉伯糖）、己糖（ｐ－Ｄ－甘露糖，Ｐ－Ｄ－葡逡逑萄糖，ａ－Ｄ－半乳糖）和糖醛酸（ｃｘ－Ｄ－葡萄糖醛酸和ｃｔ－Ｄ－半乳糖醛酸），有些半纖維逡逑素中存在著乙酰基團(tuán)。不同來(lái)源或者同一來(lái)源而不同部位的木質(zhì)纖維素中，半纖逡逑維素結(jié)構(gòu)有明顯不同（Ｇｉｒｉｏｅｔａｌ．

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本文編號(hào)：2728497