纤维素原料高浓底物分批补料糖化过程抗抑制机制研究

Fed-batch based high solids hydrolysis was a direct and convenient technique to produce high-concentration sugars,which could dramatically improve the utilization of the unit equipment and reduce purification costs.However,under high solids content circumstances, the enzymatic convertion decreased as the solids increased. This decrease partly offsets the advantages of running at high solids concentration. The specific mechanism of the decreasing convertion are still uncertain. To improve sugar yield and enzymatic efficiency, the effects of inhibitory factors, including the viscosity and mass transfer resistance, stirring mode, water content, hydrolysates inhibition and cellulase adsorption-desorption characteristics, on enzymatic hydrolysis of lignocellulosic substrate in certain conditions will be studied. through investigating the main inhibitory mechanisms, new ways for enhancing the efficiency of high solid system in laboratory and industrial process will be explored. The implementation of this project has great significance to develop high efficient convertion technologies for lignocellusic materials and accelerate the industrialization process of the fuel ethanol.

纤维质原料的高浓度底物分批补料酶解体系能够获得高糖浓度，显著提高设备利用率，减少后续酒精蒸馏等生产成本，是提高酒精产量新的高效酶解方式。但研究发现，随着底物浓度的增加，酶解转化率呈下降趋势，低的原料转化率部分抵消了高浓度水解体系的优势。现有的酶-底物作用机制的研究尚不能对此做出完全系统的解释，有待进一步深入讨论。本项目在本团队前期研究基础上，拟以蔗渣为原料，对其高浓度底物分批补料糖化过程存在的可能抑制机制包括体系粘度和传质阻力（补料条件、搅拌方式）、水含量、酶解产物的抑制及纤维素酶的吸附、解吸等进行研究，探讨水解过程影响酶解得率下降的机制及"固体效应"出现的主要原因，通过机理分析，摸索在试验过程和工业应用中改善底物酶解效果的新途径。本项目的研究对于探索高效的木质纤维素原料水解糖化工艺，加速燃料乙醇的产业化进程具有十分重要的理论和实践意义。

以纤维原料生产燃料乙醇对解决目前日益严峻的能源和环境问题具有极为重要的意义。高浓底物酶解发酵能够提高终产物纤维素乙醇的得率，显著提高单位设备的生产率，节约能耗、降低生产成本。但是，随着底物浓度的增加，原料转化率呈下降趋势，低的原料转化率部分抵消了高固体系的优势。. 本项目以强化纤维乙醇生产的核心技术、降低过程经济成本为目标，就高固体系下原料转化率低的关键问题展开研究。实验以制糖业废弃物甘蔗渣为研究对象，对高浓底物纤维素乙醇生产的预处理技术、酶水解过程及可能的抑制因素、高固液比底物预酶解同步糖化发酵过程等进行了系统的研究，以提高底物转化效率，在含C5糖发酵废液沼气资源化利用的基础上，开发纤维乙醇低成本生产、多组分利用的关键技术。. (1) 以碱法预处理为基础，分别考察了单一碱法、离子液体（IL）、微波辅助碱法和IL辅助碱法四种预处理方法对甘蔗渣酶解效果的影响。结果发现，IL辅助碱法的预处理效果最好。(2) 采用分批补料和多酶复配方式改善高浓底物的酶解过程，结果表明，分批补料能够有效缓解高浓底物酶解过程出现的体系粘度值过高，搅拌和传质困难等问题。(3) 高浓底物酶解过程对原料转化率低可能的抑制因素进行了分析，结果发现，a.底物中半纤维素的存在对葡萄糖的水解会产生阻碍作用；b. 在本实验条件下，少量添加磺化木质素对蔗渣酶解过程具有改善作用；c. 以甘油和山梨醇部分替代溶剂水考察水含量对高浓体系的影响，发现溶剂水具有促酶解作用。d. 产物葡萄糖对底物的降解具有抑制作用。(4) 以预酶解SSF（Dayed inoculation SSF，即DSSF）技术缓解高浓底物酶解过程产物抑制问题，并对发酵条件进行了研究，在含24%（w/v）底物的主发酵瓶预酶解24 h后将酵母一次接入，同时酶解的36%（w/v）底物的水解混合液在主瓶发酵24 h时全部加入，反应120 h后，乙醇产量有最大值68.05 g/L，此时理论转化率YEt达到74.13%；将含C5糖废液厌氧消化产沼气，蔗渣废液在发酵6天时甲烷产量达到最大值306.97 mL/g VS。联合乙醇沼气发酵过程增加了蔗渣原料生物转化产品的多样性。. 本项目在一定程度上强化了底物的转化过程、实现了高浓底物酶解效率和乙醇产量的提高。项目研究对于提高纤维素乙醇生产的经济性、推动其产业化进程具有重要意义。