基于碱法预处理的木质纤维原料高效高固含量酶水解方法的建立及其机理研究

Enzymatic hydrolysis is a crucial operation unit in the lignocellulose conversion process, which utilizes enzymes to depolymerize lignocellulosic biomass to fermentable sugars for the downstream production of biofuels or biochemicals. Recently, a great deal of work has been done on the selection of enzymes, process conditions of enzymatic saccharification and hydrolysis mechanism. It has been gradually realized that enzymatic hydrolysis conducted at high-solids loadings (≥15% solids, w/w) is of significant importance for the increase of sugar concentration as well as the reduction of capital and process cost. However, how to achieve high efficient enzymatic hydrolysis at high-solids loadings is still one of the challenges in the process of lignocellulose conversion. Therefore, in this project, the comprehensive impact of the component nature and the ultrastructural changes of lignocelluloses after alkaline pretreatment as well as the process factors of enzymatic saccharification on the high-solids loading enzymatic hydrolysis will be researched by the use of multivariate analysis. Furthermore, synergistic mechanism of the multi-enzyme system, rheological properties of the substrate at high-solids loadings, and the effects of extrusion feed by twin-screw extruders on increasing high-solid loadings of enzymatic hydrolysis will be systematically investigated. Based on these studies, the process of high-solids loading enzymatic hydrolysis will be further optimized, and a high efficient enzymatic hydrolysis technology at high-solids loading will be established at pilot scale. This will lay a foundation for the industrialization of lignocellulose conversion.

酶水解是木质纤维原料转化过程中一个极其重要的操作单元。在此单元中，木质纤维原料被酶解聚为可发酵糖，为将其进一步转化为生物基燃料或化学品做好准备。近年来，人们对酶的筛选，酶水解的工艺条件和机理做了大量研究工作，逐步认识到高固含量酶水解（酶解底物浓度≥15%）对增加糖浓度和降低投资及过程成本的重要意义。然而，如何实现在高底物浓度下的高效酶水解，依然是木质纤维原料转化过程中的难题之一。因此，本项目将以碱法预处理后的木质纤维原料为研究对象，用多变量分析方法系统研究碱法预处理后物料的组分性质和超微结构变化及酶水解的过程因素对高固含量酶水解的综合影响和作用机理，并通过对多酶间协同效应机制、高固含量底物的流变特性、双螺旋挤压喂料对提升酶解总固含量的影响等进行系统考察，在此基础上进一步优化酶水解工艺，并在中试级别实现对碱法预处理后木质纤维原料的高效高固含量酶水解，这将为木质纤维原料转化的产业化生产奠定基础。

酶水解是木质纤维原料转化过程中一个极其重要的操作单元。在此单元中，木质纤维原料被酶解聚为可发酵糖，为将其进一步转化为生物基燃料或化学品做好准备。近年来，人们对酶的筛选，酶水解的工艺条件和机理做了大量研究工作，逐步认识到高固含量酶水解（酶解底物浓度≥15%）对增加糖浓度和降低投资及过程成本的重要意义。然而，如何实现在高底物浓度下的高效酶水解，依然是木质纤维原料转化过程中的难题之一。因此，本项目以碱法预处理后的木质纤维原料为研究对象，用多变量分析方法系统研究了碱法预处理后物料的组分性质和超微结构变化及酶水解的过程因素对高固含量酶水解的综合影响和作用机理，并通过对多酶间协同效应机制、高固含量底物的流变特性、双螺旋挤压喂料对提升酶解总固含量的影响等进行了系统考察，在此基础上进一步优化了酶水解工艺。研究发现，（1）由于碱法预处理的底物中半纤维素含量较高，所以适量木聚糖酶的加入对提高糖化效率至关重要；（2）高固含量（15-20%）酶水解底物的粘度随剪切速率的增加而呈现剪切稀化的特性，属于假塑性流体，而且底物的粘度在搅拌初期下降速度最为明显，说明高固含量酶水解最初阶段的充分搅拌和混合是非常重要，同时这也有利于酶在纤维素底物上的有效吸附；（3）依据高固含量酶水解底物的流变特性和酶吸附规律，分别建立了基于逆流混合补料的两段酶水解方法，和基于双螺杆挤压混合喂料和立式旋转重力混合初步液固的两步高固含量酶水解方法体系，实现了基于碱法预处理的高固含量酶水解的高效糖化，最终建立了与改良碱法预处理相匹配的高效高固含量酶水解方法体系，并完成了中试放大验证。高效高固含量酶水解方法的建立和最终的实际应用，对降低利用糖平台进行下游转化的生物燃料和化学品等过程的投资成本和工艺过程处理成本十分重要，这将为木质纤维原料转化的产业化生产奠定基础。