【摘要】：能源草是一類抗旱和耐鹽堿能力極強的植物,能在邊緣性土地大面積的種植,為生物丁醇的生產(chǎn)提供了一種豐富、廉價和可再生的碳源。能源草生物轉(zhuǎn)化為丁醇主要包括預(yù)處理,酶水解,發(fā)酵和產(chǎn)物分離四個主要的步驟。目前,能源草發(fā)酵制取生物丁醇過程中預(yù)處理的效果還比較低,導(dǎo)致酶解糖化效率低,無法達到發(fā)酵微生物需求,這是限制丁醇產(chǎn)量的主要因素;其次,丁醇發(fā)酵產(chǎn)物對酶水解有反饋抑制作用,進一步降低了丁醇發(fā)酵效率。本文首先以荻為原料,比較了乙酸化的亞氯酸鈉預(yù)處理(SCA)和未乙酸化的亞氯酸鈉預(yù)處理對荻化學(xué)組成和酶水解效率的影響,并對SC預(yù)處理條件進一步優(yōu)化,研究了其預(yù)處理后的原料酶水解液發(fā)酵制取丁醇的性能。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的SCA預(yù)處理相比(18.1%),SC預(yù)處理半纖維素?fù)p失更少(7.8%),即其碳水化合物保留率更高。且SC預(yù)處理后荻經(jīng)酶水解葡萄糖得率(70.5%)高于SCA(58.7%)。延長預(yù)處理時間和補加木聚糖酶,SC預(yù)處理原料的酶水解得率顯著增加,即荻經(jīng)SC預(yù)處理12 h后,補加5000nkat/g DM(干物質(zhì))的木聚糖酶,葡萄糖和木糖的水解得率分別從82.2%和64.9%增加到93.6%和69.9%,還原糖得率從634.0 mg/g DM增加到808.7 mg/g DM。但是亞氯酸鈉預(yù)處理原料的酶水解液,經(jīng)丙酮丁醇梭桿菌(ATCC824)發(fā)酵后,ABE(丙酮-丁醇-乙醇)的總產(chǎn)量為0.03 g/g葡萄糖,低于純葡萄糖對照(0.21 g/g葡萄糖),可能與亞氯酸鈉預(yù)處理方式或荻本身的發(fā)酵性能有關(guān)。為了進一步研究預(yù)處理方式及原料種類對丁醇發(fā)酵性能的影響,本文以雜交狼尾草,互花米草和荻為原料,通過稀硫酸,氫氧化鈉,堿性亞硫酸鹽進行預(yù)處理,比較了三種預(yù)處理對雜交狼尾草、互花米草和荻化學(xué)組成、酶水解及丁醇發(fā)酵性能的影響。結(jié)果表明,雜交狼尾草的木質(zhì)素最易被去除;堿性亞硫酸鹽預(yù)處理移除木質(zhì)素的能力最高。經(jīng)稀硫酸預(yù)處理后,三種原料在不同底物濃度下的酶水解效率差異不明顯。三種原料經(jīng)過氫氧化鈉預(yù)處理后,以8%底物濃度為進行酶水解,葡萄糖得率分別為4.8,5.6和16.6g/L,酶水解效率均不高。堿性亞硫酸鹽預(yù)處理后,雜交狼尾草在8%底物濃度下的酶解糖化效率僅為11 g/L;但是互花米草和的荻在8%底物濃度下經(jīng)纖維素酶水解后,葡萄糖的產(chǎn)量分別為32 g/L和39 g/L,滿足丁醇發(fā)酵對糖的需求。經(jīng)丙酮丁醇梭桿菌(ATCC824)發(fā)酵后,堿性亞硫酸鹽預(yù)處理后互花米草的酶水解液的ABE產(chǎn)量為0.12g/g葡萄糖,高于同種預(yù)處理后荻的ABE產(chǎn)量(0.09 g/g葡萄糖),高于亞氯酸鈉預(yù)處理后荻的ABE產(chǎn)量(0.03g/g葡萄糖)。并且酶水解液發(fā)酵產(chǎn)ABE的產(chǎn)量都低于其對照(以純葡萄糖為發(fā)酵碳源),這可能與酶水解過程中產(chǎn)生的糠醛等抑制物對發(fā)酵微生物代謝途徑的影響有關(guān),需要進一步研究論證。本文也研究了丁醇發(fā)酵終產(chǎn)物,包括丙酮、丁醇、乙醇、乙酸和丁酸,對酶水解及水解液中纖維素酶各組分(CBHⅠ,EGⅡ和β-G)酶活性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,丙酮、丁醇和乙醇在較低濃度時對酶水解有促進作用;添加5 g/L丁醇時,Avicel和堿預(yù)處理后的雜交狼尾草酶水解得率分別從30%和61.9%增加到62.8%和75.0%,添加20g/L的丙酮和乙醇時,Avicel酶水解得率增加到了57.8%和58.3%,堿預(yù)處理后的雜交狼尾草水解得率增加到了79.2和85.6%;丁醇,乙醇和丙酮的混合物及發(fā)酵所有產(chǎn)物的混合物對酶水解也有促進作用,且促進作用主要由丁醇主導(dǎo),沒有產(chǎn)物累積效應(yīng)。發(fā)酵產(chǎn)物對水解液中酶活性的影響規(guī)律表明,丁醇對水解溶液中的CBHⅠ,EGⅡ的酶活性都有促進作用,且對EGⅡ的促進作用更明顯,即添加5 g/L丁醇時,水解48 h后的水解液中CBHⅠ,EGⅡ的酶活分別從27.3%和62.9%增加到了59.9%和142.8%;丙酮和乙醇主要是促進了CBHⅠ的熱穩(wěn)定性,水解6 h CBHⅠ酶活性保持不變,但對EGⅡ的活性影響不大;所有產(chǎn)物對β-G的影響都不顯著。本文從能源草的高效預(yù)處理,預(yù)處理后底物的酶水解糖化規(guī)律及酶水解液發(fā)酵產(chǎn)丁醇的能力等多個方面研究了能源草發(fā)酵產(chǎn)丁醇的可行性,為能源草發(fā)酵產(chǎn)丁醇提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ923
【圖文】：

圖 1-1 木質(zhì)纖維原料轉(zhuǎn)化成液體燃料的過程 (Chen et al., 2017)Fig. 1-1 The process of converting lignocellulosic material into liquid fuels (Chen et al.,源草用于生產(chǎn)生物丁醇的原料主要有可食用性的糧食作物和不可食用的木質(zhì)慮原料成本和糧食安全問題，木質(zhì)纖維原料成為了近年來研究的重點。木要包括農(nóng)作物秸稈和能源草,農(nóng)作物秸稈分布不集中，收集、貯存和運輸比

增加比表面積，從而增加酶對原料的可及性來提高程中的預(yù)先處理，能夠?qū)㈤L的原料破碎為 10-50 mm 的顆粒；粉到 10-30 mm；球磨進一步減小原料的粒徑到 0.2-2 mm，此過程度 (Agboretal.,2011)。有研究報道，在生物乙醇生產(chǎn)過程中，原率越高，但是當(dāng)顆粒減小到 0.4mm 后，繼續(xù)減小顆粒，水解得率程能耗較高，成本較高且效率低，因此，機械通常和其他方法利用微博，超聲波和γ-射線等輻射能對原料進行照射，破壞原料可接觸面積，提高酶水解得率，但是效率不高，還需要進一步優(yōu)to et al., 2017)。最常用的預(yù)處理方法，利用化學(xué)試劑與木質(zhì)纖維原料反應(yīng)，改變物理特征，從而增加酶對底物的可及性，提高酶水解效率。化學(xué)和半纖維素反應(yīng)，改變或除去部分的木質(zhì)素和半纖維素，同時降此方法有效性的條件主要涉及化學(xué)試劑的加載量，反應(yīng)溫度和應(yīng)用最多的預(yù)處理方法，用于預(yù)處理的化學(xué)試劑主要包括酸、堿學(xué)試劑。下文詳細(xì)的介紹了幾種常用的化學(xué)預(yù)處理方法。

圖 2-2 預(yù)處理前后荻的 XRD 圖譜Fig. 2-2 XRD map of silvergrass before and after pretreatment.結(jié)晶度較高的 Avicel 和微晶纖維素（cellulosefiber），預(yù)處理前后結(jié)晶度變而，荻經(jīng)過 SCA 和 SC 預(yù)處理后，結(jié)晶度都增加，這是由預(yù)處理過程中非素和半纖維素等物質(zhì)的移除導(dǎo)致的，這跟其他的研究結(jié)果是一致的 (Kum SC 預(yù)處理后的原料的結(jié)晶度為 56.6%，低于 SCA 預(yù)處理后的原料結(jié)這可能是由 SC 預(yù)處理過程中移除的半纖維素更少導(dǎo)致的。將 SC 預(yù)處理延長到 12 h，原料的結(jié)晶度從 49.8%增加到了 76.5%，因為在劇烈的預(yù)處多的半纖維素和抽提物等物質(zhì)被移除。表 2-4 預(yù)處理前后原料的結(jié)晶度分析Table 2-4 The crystallinity analysis of raw materials before and after pretreatment.原料 預(yù)處理 時間 (h) 結(jié)晶度指數(shù) (%)Avicel未預(yù)處理 / 79.9SCA 2 81.4

【參考文獻】

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本文編號：2797742