棉杆强化亚硫酸盐预处理组分溶出机理及酶水解效率研究

In this study, a modified SPORL, process with stronger pretreatment conditions, will be applied to the pretreatment of the bark, stalk, and core of cotton stalk for bioconversion. A combined hydrolysis factor (CHF) will be adopted to investigate the dissolution of xylan and lignin from cotton stalk for optimizing the modified SPORL pretreatment conditions. The removal of hemicelluloses from cotton stalk will be identified by determining the concentrations of monosaccharides in pretreated liquor. Sulfonated lignin will be separated from spent liquor using ultrafiltration membrane, opening the door to understanding of the fundamentals of lignin sulfonation and dissolution. On the other hand, the effect of structure and sulfonation degree of the lignin remained in substrate on enzymatic digestibility of the substrate will be investigated. Another task of this study is to analyse the variation of microstructures of raw materials and pretreated substrate by SEM and AFM. As a result, the mechanisms regarding the dissolution of lignocellulosic materials from cotton stalk, saccharification of enzyme-hydrolyzed stalk, and substrate cellulose digestibility will be elucidated. In summary, the research findings of this project would provide a strong scientific basis for the commercial bioconversion and value-added utilization of agricultural/forestry wastes.

酸性亚硫酸盐法预处理针叶木、阔叶木进行生物质转化，不仅可有效降低预处理的磨浆能耗，而且预处理底物的纤维酶水解效率高。棉杆作为农业废弃物，可用于生产生物质燃料，但其结构和化学成分与木材原料差别较大，采用现有的酸性亚硫酸盐预处理技术，所得棉杆底物的酶水解糖化效率较低。项目拟采用新型强化酸性亚硫酸盐技术，如更高预处理温度和硫酸浓度等，将棉杆皮、杆和芯分别进行预处理，通过复合水解因子表征预处理强度，优化最佳预处理条件；通过HPLC等分析预处理废液中半纤维素的单糖组成及含量，阐明半纤维素溶出机理；用超滤膜分离废液中的磺化木素，揭示木素磺化过程和溶出机理；研究残留木素结构和磺化度对底物纤维酶水解的影响；SEM、AFM显微技术辅助分析原料和预处理底物的微观结构的变化规律。通过研究，揭示强化亚硫酸盐预处理棉杆组分溶出和提高底物酶水解糖化效率的机理，成果可为农林废弃物的高效转化与高附加值利用提供科学依据。

前期研究表明，酸性亚硫酸盐法预处理针叶木、阔叶木进行生物质转化，不仅可有效降低预处理的磨浆能耗，而且预处理底物的纤维酶水解效率高。棉杆作为农业废弃物，可用于生产生物质燃料，但其结构和化学成分与木材原料差别较大，采用现有的酸性亚硫酸盐预处理技术，所得棉杆底物的酶水解糖化效率较低。项目拟采用新型强化酸性亚硫酸盐技术，如更高预处理温度和硫酸浓度等，采用复合水解因子（CHF）将预处理温度、时间、pH值等因素拟合在一起，优化预处理条件对棉杆半纤维素、木素的溶出以及预处理底物的纤维素酶解转化效率条件；研究预处理过程中木质素被攻击后磺化溶出得到的木质素磺酸盐对酶解过程的影响（采用工业木质素磺酸盐和实验室提取木质素磺酸盐），研究底物提取木素和废液提取的木素磺酸盐木素的结构，讨论预处理过程中木素的溶出机理和对酶水解影响的机理。采用复合水解因子（CHF）拟合预处理条件对棉杆各组分溶出规律影响，揭示了复合水解因子可以很好的预测亚硫酸盐预处理棉杆底物残留半纤维素和木素；木素磺酸盐对酶解转化具有正面影响，研究了洗净浆料、未洗净浆料，添加商品木素磺酸盐和从废液提取的木素磺酸盐以及直接添加废液的方式，研究对棉杆底物纤维素酶水解的影响，揭示了可以将预处理废液代替木素磺酸盐添加在纤维素酶水解过程中，木素磺化程度越高效果越好；利用红外、磺化度测定、SEM、核磁共振谱图表征底物纤维和分离的木素，揭示亚硫酸盐预处理对底物纤维结构的影响是不仅溶出部分木素，而且随着半纤维素的溶出，纤维空隙较多，也是提高棉杆酶解转化效率的因素，分离的底物木素也有部分木素磺酸根，溶解在废液中的木素磺酸化更厉害，但都不同程度对酶解转化有正面影响。这些研究结果不仅揭示了亚硫酸盐预处理棉杆进行生物质转化的组分溶出机理，而且为其工业化提供了良好的可行性途径。