木质纤维原料底物特性及其对酶解效率的影响研究

以木质纤维资源为原料生产燃料乙醇是可再生和清洁能源领域的热点之一，世界各国尤其是.发达国家正在积极投入人力物力进行开发研究。本课题以农林废弃物为原料，采用有机溶剂.乙醇法预处理，通过底物中残余木质素和半纤维素含量和物理化学特性分析，对具有不同特.性底物的酶水解性能进行评价；并建立底物的酶水解动力学模型，以期探讨底物特性和酶水.解性能的内在联系。本研究的目的是理清预处理条件和强度、底物特性以及酶解性能三者的.关系和相互作用机制，并给出定量的动力学数学描述。预期的研究成果将对木质纤维原料制.备燃料乙醇的预处理和酶水解过程有着普遍的理论价值和实践指导意义。

本课题以麦草为原料，采用有机溶剂乙醇法预处理，通过分析底物物理化学特性，对具有不同特性底物的酶水解性能进行了评价；探讨了底物特性和酶水解性能的内在联系，研究了预处理条件和强度、底物特性以及酶解性能三者的关系和相互作用机制。同时通过与蒸汽爆破法预处理进行对比，对不同预处理方法进行了评价和研究。.通过响应曲面法实验对麦草原料的有机溶剂预处理过程进行优化，可以发现乙醇浓度、反应时间、反应温度、催化剂用量以及这些因素之间的交互作用对预处理结果均有显著的影响。在麦草原料的有机溶剂法预处理过程中，麦草浆料的结晶度与聚合度也得到了改变。随着预处理条件增强，纤维素大分子的链状结构遭到破坏，纤维碎片增加，浆料的聚合度降低，有利于后续酶水解的进行。.麦草原料经过酸催化乙醇法预处理后有很好的酶水解性能，以酶水解效率为响应值，采用响应曲面法分析预处理条件对酶水解效率的影响，结果表明温度对底物酶水解效率的影响最大，乙醇浓度底物酶水解效率的影响也很明显。采用二次多项回归的方法对酶水解效率进行拟合，拟合模型Pred R-square 值通过控制预处理条件对酶水解效率进行定量预测。酶用量、pH值、底物浓度、水解温度以及水解时间是影响纤维素酶水解反应效率的几个主要因素。在单因素实验结果的基础上，本实验对纤维素底物的批式水解工艺进行了正交实验优化。通过实验优化，可以看出水解液的pH值对水解反应的效率影响最为明显，其次为水解时间、酶用量、底物浓度和水解温度。对有机溶剂预处理与蒸汽爆破预处理后得到的浆料进行了酶水解，结果发现有机溶剂预处理得到的浆料有更好的酶解性能，能够得到较高的葡萄糖转化率以及糖浓度。这是由于蒸汽爆破法降解木质素的效果不如有机溶剂法好，在纤维素的酶水解过程中，木质素对纤维素酶产生了一定程度的无效吸附。.本课题进行了酸催化乙醇法、蒸汽爆破预处理的比较，并利用响应曲面法进行优化，建立相应的原料特性与预处理条件之间的数学模型，定量描述酸催化乙醇法、蒸汽爆破法预处理工艺条件与纤维素回收率、结晶度指数、木质素含量等指标的内在联系。通过对比最优条件下酸催化乙醇法、蒸汽爆破法和稀酸蒸汽爆破法预处理后的底物纤维素、木质素含量，红外光谱、结晶度指数、纤维长度和聚合度发现，酸催化乙醇法处理程度大于蒸汽爆破法，酸催化乙醇法可以在适当损伤纤维的情况下使得纤维更短，处理后底物更适用于酶水解工艺的研究。