（环境工程专业论文）废竹质纤维预处理及其酶解的研究.pdf

，一， i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：差战么 弓 日期：弘归年f 月劳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密闰。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 孰么 钐彤易 日期：知加年 日期：州。年 ，月弓7 日 歹月弓1 日 竹质纤维预处理及其酶解的研究 废竹质纤维预处理及其酶解的研究 摘要 竹质纤维作为一种丰富且廉价的纤维资源，可以代替有限的粮食原料发酵生 产燃料乙醇，在开发新能源和环境保护等方面具有重要的经济效益和社会效益。 以植物纤维为原料生产乙醇的主要问题在于木质纤维素必须经过预处理和纤维素 酶水解，探索合理的预处理技术和揭示预处理过程中的变化是解决问题的关键。 本文以木质纤维素原料竹粉生产还原糖为研究方向，探讨了原料粒径、预处理时 间、温度、p h 对原料纤维素、半纤维素、木质素及预处理残渣的影响。研究了纤 维素酶水解条件，酶解p h 、底物组分及浓度、酶量、水解时间对酶水解还原糖产 率的影响。 针对竹质纤维机构致密，难于直接被酶水解的特点，分别采用机械破碎法、 热处理对竹质纤维进行预处理。结果表明，经机械破碎后原料纤维素、半纤维素 和木质素含量并未发生大变化，说明其结合层虽并未破坏，但提高了酶水解的还 原糖产量，当竹质纤维粒径为1 0 6 “m 18 0 肛m 时，还原糖产率达到2 7 8 5 m g 儋，约为 粒径 3 8 0 岬原料酶水解产率的3 倍。这说明机械破碎改变了竹质纤维的比表面积， 增加了酶的可及性，从而促使原料还原糖产率的增加。在p h 6 o 条件下，竹粉经2 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 8 0 热处理后样品的纤维素含量随着预处理温度的升 高而增加，当温度从2 0 上升到1 2 0 时，纤维素含量从4 0 2 7 增加至4 8 8 ，半 纤维素和木质素则呈反向关系，含量分别从2 6 1 0 、2 3 3 3 下降至2 0 4 6 和 2 0 4 2 ，去除效果不是很明显。当预处理温度上升到1 8 0 时纤维素、半纤维素和 木质素含量分别达到5 9 3 6 ，1 0 8 8 和1 6 9 2 。在1 2 0 热处理温度处理下，纤维 素含量随热处理p h 值减小而增加，半纤维素、木质素含量则呈反向关系。改变热 处理p h 值可对半纤维素的去除有很好的效果，去除率可达3 2 5 3 ，同时木质素去 除率达1 5 7 1 。本实验选用经p h 值为4 o 醋酸醋酸钠溶液处理4 8 h ，在温度1 2 0 下 热处理4 0 m i i l 处理后样品为后续酶水解底物。 由扫描电镜( s e m ) ) 可以观察到经预处理后样品，经预处理后样品，其结构表 面变得疏松，出现层层剥离现象，孔径增多、增大；经p h 6 0 、1 8 0 处理后样品， 竹质纤维预处理及其酶解的研究 其表面孔径几乎完全破裂，但可以发现破碎的碎片周围呈现规则的圆弧状，原本 的小孔都已经破碎。 对预处理竹质纤维残渣的酶水解进行研究，结果表明，竹质纤维最佳酶解条 件为：p h 为4 8 ，温度为5 0 。考察纤维素酶添加量在0 1 m l 1 0m l 时酶水解状况， 结果表明，随着纤维素酶量的增加，还原糖产量最初呈增加趋势，但由于纤维素 酶自身含有较高还原糖量，酶量进一步增加后，还原糖产量不仅没有增加，反而 呈下降趋势，添加纤维素酶量为0 5 m l 时酶水解还原糖产量达到最高。考察底物浓 度在0 2 10 i n l 1 5g 10 m l 范围内酶水解状况，结果表明，还原糖含量随着底物浓 度的增加而增加，但还原糖产率却减少。当底物浓度达到1 o 1 0 n 儿时，酶水解速 率明显降低，因此在本实验中以底物浓度为1 0 1 0 m l 为最佳底物浓度。考察酶解 时间在0 h - 9 6 h 酶水解状况，结果表明酶解反应初期均能以较高速度进行，随着反应 时间的增加还原糖产量增加，但是当反应时间达到4 8 h 后，酶反应速率慢慢降低， 趋于平缓。产用补料酶解，在最终底物浓度为1 5 1 0 m l ，酶解9 6 h 后还原糖产量达 到6 9 3 8 m g ，分批补料酶解工艺大大缩短了反应时间，提高了生产效率。 关键词：废竹粉，预处理，纤维素酶，酶水解，可还原糖 竹质纤维预处理及其酶解的研究 s m d yo np r e t r e a t m e n ta n de n z y m a t i ch y d r o l y s i so fb a m b o o r e s i d u e sp o w d e r a bs t r a c t b 锄b o oc a l lb eu s e dt 0p m d u c e 向e 1e t l l a n o la sac h e 印锄da b u i l d a l l t l ya v a i l a b l e l i g n o c e l l u l o s i cr e s o u r c ei l l s t e a do fl i i l l i t e d 伊a i l lf e e d s t o c k s b i o c 0 1 w e r s i o no fb 枷b o o t 0f u e le m a i l o li sv e 夥m e a m n g m li i lt ：h e a s p e c t so fn e we n e r g yd e v e l o p i n e n ta n d e i i r o i u n e n t a lp r o t e c t i o n t h ei i i l p o 吨m ti s s u et 0p r o d u c ee t h a n o l 丘。o ml i g n o c e l l u l o s i c m a t e r i a l1 i e si 1 1 也a tl i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a lm u s tb ep r e 仃ea t i 甜a n dt h e nh y d r o l y z e d 谢m c e l l l l l o s e t h e r e f o r e ，t l l em o s te s s e n t i a lt l l i i 培i st 0c l a r i 毋p r e 切e a n e m 允n d 锄e n t a l sa 1 1 d e x p l o r et 1 1 eo p t 妇a lp r e 讹a 恤e n tm e t l l o d i nt ：h i s 也e s i s ，t h ep r o d l l c 越o no fr e d u c i n g s u g a rf o r 也er e s e a r c hd i r e c t i o n d i s c u s s e dt 1 1 ee f f e c to ft h ep a r t i c l es i z e ，p r e 仃l ：a t m e m t i i l l e ，t e i n p e r a t u r e ，p ho nt l l ec e l l l l l o s e ，h e m i c e l l u l o s e ，l i 嘶na n dr e s i d u e sw e i g h to f b 砒n b o op o 、) r d e r s t u d i e dt h ec o n d i t i o 粥o fe m 可m a t i ch y d r 0 1 y s i si 1 1 c l u d e e n z y m a t i c h y d r o l y s i sp h ，吼l b s 衄t ec o i i l p o s i t i o na n dc o n c e n t r a t i o n b a m b o op o 、v d e rw 鹤p r e 缸e a t e db yi n e c h a l l i c a l 鲥n d i n g 戤l dc h e m i c a lm e t h o d ， r e s p e c t i v e l y ，f o re i l l l a r l c i i 培廿l ee r 町，i i l a t i cs u s c e p t i b i l i t ) ro fs u b s 仃a t e t h er e s u l t ss h o w t l l a t ，世e rm e c h a l l i c a l 鲥n d i n gp r e t r e 她e n t ，m ec e l l u l o s e ，h e i i l i c e l l u l o s ea n dl i 黟血 c o n t e n tw 硒c m g e a l t h o u g ht l l ec o m b i i l a t i o no fl a y e ri sn o td a m a g e ，b u t l er e d u c i l l g s u g a ry i e l do fe n z 肿a t i ch y d r o l y s i si si i l c r e a s e d w h e nt 1 1 ep a n i c l es i z eo fb 锄b o o p o w d e ri s 10 6 “m 一18 0 岬，t 1 1 er e d u c i n gs u g a ry i e l di s2 7 8 5 m g ，a b o u t3t i m e so fm e p a n i c l es i z eo f 38 0 岬t m ss h o w st l l 吐t l l ep r e t r e a 缸n e n to fm e c h a i l i c a lg 血d m g c h a n g e s t 1 1 eb a i n b o of i b e rs u r f a c e a r e 如i 1 1 c r e a s i n gt h ee r 屹y m ea c c e s s i b i l i t y ，t l l _ u s c o n t r i b u t i n gt 0i n c r e a s i n gt h er e d u c i n gs u g a ry i e l d a r e r8 0 ，1 0 0 ，1 2 0 ，1 8 0 p r e 仃e a t m e n t ，m ec o m e n to fc e l l u l o s e w a sr a i s e d 谢t 1 1p r e 眈a _ t m e m t e m p e r a t i l r e 访c r e a s e d w 1 l e nt h et e m p e r a ：t u r er o s e 舶m2 0 t 012 0 ，t l l ec e l l u l o s ec o n t e n t i n c r e 硒e d 舶m4 0 2 7 t o4 8 8 ，b u tm eh e m i c e l l u l o s e 觚dl i 髓i nc o n t e n tw a s d r o p p e d 舶m2 6 10 ，2 3 3 3 t o2 0 4 6 a i l d2 0 4 2 ，r e s p e c t i v e l y t h er e m o v a li sn o tv e 巧 c l e a r w h e n 廿l ep r e 协：a t r r l e n tt e m p e r a t u r ei n c r e 2 u s e dt o18 0 ，c e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s e a i l dl i g n j i lc o n t e n tr e a c h e d5 9 3 6 ，1 0 8 8 a i l d1 6 9 2 ，r e s p e c t i v e l y a f 【e rt h es a m p l e 竹质纤维预处理及其酶解的研究 s o a k e db yb u 侬i r ，c e l l u l o s ec o n t e l l td c c r e 嬲e dw i 也l es o a ：i ( i n gs o l u t i o np hm c r e a s e d ， b u tm eh e m i c e l l l l l o s ea n dl i 印i i lc o n t e n ti nr e v e r s er e l a t i o i l s n 圮b u 骶rs o a k i n gi s9 0 0 d f o rm er e m o v a lo fh e i i l i c e l l u l o s e a r e rs o a k i n g 诚t l lp h 4 ob u f - f e r ，t 1 1 el i 舀1 i 1 1r e m o v a l r a t ei s g e tt 01 5 7 1 ；s o a l 【i n gw i mp h 4 ob u 髓r ，a n d 1 e n1 2 0 h o tw a t e r p r e 们a t m e n t c a nr e m o v e3 2 5 3 o f h e m i c e l l u l o s e o b s e e dt h es 如1 p l e sb yt l l es c a l l i l m ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) p r e 仃e a t e dw i t l l 1 2 0 ，1 8 0 ，b u f | f e rs o a k i i l g ，b u 虢rs o a 妯唱a n d1 2 0 c o n d i t i o 邶nc 趾s e en l e 酬a c e 蚰m c t u r eo fb 锄b o ob e c o m e sl o o s e ，也el a y e r si ss 仃i p p e d ，p o r es i z ei i l c r e 硼e d l a r g e ；s 锄p l e st r e a t e da t18 0 ，m es u i 伽ep o r es i z ei sa h n o s tc o m p l e t e l yb r o k e i l ，龇l d m eb r o k e np i e c e sc 觚b ef o m l da r o u i l dm ep r e s e n tm l e so ft h ea r c - s h 印e d ，l eo r i g i n a l h o l e sh a v eb e e nb r o k e n t h ee x p e r i i n e 删r e s u l t s 砌i c a t e d 蚍也e 州m 啪p hi s4 8 ，舭o p t i m 啪 t e r n p e 船n l r ei s5 0 f o rr e d u c i n gs u g a ry i e l d s t u d yh y d r o l y s i sc o n d i t i o l l so f 廿1 e c e l l u l a l s ei no 1m l - 1 0i i l l ，t h er e s u l t ss h 0 、e dt l l a t 谢t l lt h ei n c 陀蹒eo fc e l l u l 嬲ec o n t e n t ， r e d u c i n gs u g a ry i e l dt e n d e dt 0i i l c r e a s ei m t i a j l y ，b u tb e c a u s eo fi t sh i 曲r e d u c i n gs u g 雒 c o n t e n to fc e l m o s e ，m er e d u c i n gs u g a r ) r i e l di sn o t 丘l r t h e ri r l c r e a u s eb u td e c r e 嬲e h l l c e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o l l s ，t h el l i 曲e s tr e d u c i i l gs u g a ry i e l d w 嬲r e a c h e dw h e nt l l e a d d i t i o no f0 5 n 儿c e l l u l 舔ee n z y m e i n v e s t i g a t e 圮e f f e c to fs u b s t r a t ec o n c e 曲眦i o n w i 蛐t l l eo 2 1 0 i n l 一1 5 1 0 m lo nt h er e d u c i i l gs u g a ry i e l d ，t h er e s u l t ss l l o 、e dt l l a t r e d u c i n gs u g a rc o m e n tw 嬲r a j s e d 、i t l lm es u b s t r a t ec o n c e n 仃a t i o ni n c r e a s e s ，b u t 也e r a t eo fr e d u c i i l gs u g a rw 弱r e d l l c e d w h e nm es u b s 仃a t ec o n c e n t r a t i o n 、 ，a s1 0 10 m l ， t l l es p e e do fe m 可m a t i ch y d r 0 1 y s i sw a ss i g i l i f i c a n t l yr e d u c e d s ot l l eo p t 妇啪s u b 蛐r a t e c o n c e n 臼眦i o n 、麟1 o 10 m l s t u d y 也ee 嗡，1 1 1 a t i ch y d r o l y s i s t i m e 舶m0 ht 09 6 h t h e r e s u l t ss h o wt 1 1 a ti i lt l l e “t i a l ，h y d r 0 1 y s i sr e a c t i o nc a nt 0a l l i 曲s p e e d ，a n d 圯r e d u c i n g s u g a ri sm i s e d 、加t 1 1t l l e r e a c t i o nt i i n ei i l c r e a u s e d h o 、 ，e v e r w h e n 吐l er e a u c t i o nt 硫e r e a c h e d4 8 ha i l dm ee n 巧m er e a c t i o nr a t ew 嬲可a d u a l l yd e c r e 弱e d ，l e v e l i n go 最u s e d f e d - b a t c he n z y m a t i ch y d r o l y s i s ，啦e r9 6 hh y ( h l y s i s ，t l l er e d u c i i 培s u g a ry i e l dr e a c h e d 6 9 38 m gi i lm e 缸a ls u b s 仃a t ec o n c e n 仃a t i o n1 5 1o l i 儿ns h o w e dt h a tn l ef e d - ba _ t c h h y d r o l y s i sw 嬲g r e a t l yi m p r 0 v et 1 1 er e d u c i n gs u g a ry i e l d k e yw o r d s ：w 雒t eb 锄b o op o w d e r ，p r e 仃l ：a 由m e n t ，c e i i u i 弱e ，e n 巧m eh y d r o i y s i s ，r e d i i c i n gs u g 盯 竹质纤维预处理及其酶解的研究 第一章绪论。 目录 1 1 研究背景与意义1 1 2 研究目的及创新点2 1 2 1 研究目的2 1 2 2 课题创新点3 第二章文献综述 2 1 概述4 2 2 燃料乙醇国内外发展现状4 2 3 废木质纤维索结构及能源化途径5 2 3 1 般木质纤维素结构5 2 3 2 竹质纤维结构6 2 3 3 废木质纤维素能源化途径7 2 4 木质纤维原料的预处理9 2 4 1 物理法9 2 4 2 化学法1 0 2 4 3 物理化学法12 2 4 4 生物法1 4 2 5 木质纤维原料的水解 2 5 1 酸水解处理 2 5 2 酶催化水解处理 1 4 1 4 16 2 6 木质纤维原料的发酵2 2 2 7 废木质纤维素能源化存在的问题2 3 2 7 1 预处理存在的问题2 3 2 7 2 水解存在的问题2 3 2 8 本课题主要研究内容。2 4 第三章竹质纤维预处理技术的研究 2 5 3 1 弓i 言2 5 3 2 实验材料2 5 3 2 1 原料2 5 3 2 2 主要试剂2 5 3 2 3 试剂配制2 6 3 2 4 丰要仪器设备2 7 3 3 分析方法和实验方案2 7 3 3 1d n s 比色法测定还原糖2 7 3 3 2 毛竹成分测定2 8 3 3 3 实验方案2 9 3 4 结果与讨论2 9 3 4 1d n s 法标准曲线绘制和回归方程的确定3 0 3 4 2 竹质纤维组分分析3 0 3 4 3 粒径对竹质纤维组分的影响3 1 v 竹质纤维预处理及其酶解的研究 3 4 4 热处理时间对竹质纤维组分的影响3 1 3 4 5 热处理温度对竹质纤维组分的影响3 3 3 4 6 热处理p h 值对原料组分的影响3 4 3 4 7 热处理温度对残渣干重的影响3 5 3 4 8 预处理样品红外光谱的分析3 6 3 4 9 预处理样品电镜扫描( s e m ) ) 观察3 8 3 5 本章小结4 0 第四章竹质纤维酶水解的研究 4 1 弓i 言4 2 4 2 实验材料 4 2 1 原料 4 2 2 主要试剂 4 2 3 试剂配制 4 2 4 2 4 3 4 3 4 3 分析方法和实验方案4 3 4 3 1 渊s 比色法测定还原糖4 3 4 3 2 毛竹成分测定4 3 4 3 3 酶活测定4 3 4 3 4 酶水解4 4 4 4 结果与分析。4 5 4 4 1p h 值对酶活性的影响4 5 4 4 2 水解温度对酶活性的影响4 6 4 4 3 酶量对酶水解的影响4 6 4 4 4 底物浓度对酶水解的影响4 8 4 4 5 时间对酶水解的影响4 9 4 4 6 补料对酶水解的影响5 0 4 4 7 原料粒径对还原糖产量的影响5 1 4 4 8 底物组分与还原糖产量的关系5 2 4 5 本章小结5 3 第五章结论与建议 5 1 结论。 5 2 建议 参考文献 致谢 攻读学位期间发表的学术论文目录 5 7 6 1 ； t ；6 竹质纤维预处理及其酶解的研究 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 国际油价攀升及全球温室效应是当今世界共同关注的两大问题。上世纪以 来，随着现代工业及交通运输业的飞速发展，人类对能源的需求也日益增长，世 界石油资源日趋减少，石油燃料短缺【l 】。为了保证能源的持续供给，世界各国都 在积极探索利用可再生能源。生物质能源是指以生物质为载体的能量。所有生物 质即生物界一切有生命的可以生长的有机物质，包括动植物和微生物，都有一定 的能量，都可能转化为能源。发展生物质能源是当代世界科学研究领域的重要前 沿性课题之一【2 】。燃料乙醇是来源于可再生生物质的重要能源之一。乙醇作为发 动机的燃料并不是一个新概念。早在1 8 9 0 年，以乙醇为动力的拖拉机发动机就设 计出来了。分析表明燃料乙醇作为化石燃料的替代品具有氧含量高、辛烷值高、 燃烧性能好和燃烧排放污染物少等有优良特性【3 羽。催化裂化汽油中添加体积分 数为1 0 的乙醇后，其辛烷值( r o n ) 提高3 4 个单位，辛烷值( m o n ) 增加1 4 个单位【7 】。乙醇调和汽油可以代替甲基叔丁基醚( m t b e ) ，有效降低汽车尾气排 放，其碳氢化合物、c o 、氮氧化合物等有毒气体排放都有所降低，起到净化空 气的功效，具有明显的高效、环保、可再生的特点【8 】。 目前国内燃料乙醇的生产主要以玉米、小麦等粮食淀粉为原料，这对我国的 粮食生产和消费是一个严峻的挑战。1 9 9 6 1 9 9 9 年我国粮食总产量连续4 年稳定在 5 亿吨左右，粮食供过于求，出现阶段性过剩和积压状况。2 0 0 0 年以后粮食产量 连年减产，出现产销缺口和库存下降。至2 0 0 4 年，我国粮食又回升到4 6 9 5 亿吨， 比上年净增了9 o 。但是综合考虑储备粮更新、综合利用、饲料用量的大幅上升 等因素，今后粮食仍将有缺口。据估计我国每年只能动用总产量l 左右的粮食 用于生产燃料乙醇，因而，从中国国际实情出发，中国地少人多的现状限制了基 于粮食为原料的乙醇大规模生产，大量使用粮食为原料生产乙醇也必将带来严重 的现实问题【9 】。而木质纤维素是地球上储量最丰富的有机物质，其能量来自太阳， 是植物通过光合作用固定下来的，每年约高达1 0 0 0 0 亿吨，其中8 9 目前未被人 类利用，只有1 1 用作农作物产品、饲草、造纸和建筑原料。我国拥有丰富且廉 竹质纤维预处理及其酶解的研究 价的植物纤维资源，包括农作物残余物、林木下脚料、纤维类固体废物等，产量 大，仅农作物秸秆、皮壳一项近7 亿吨，玉米秸秆( 3 5 ) 、小麦秸秆( 2 1 ) 和 稻草( 1 9 ) 是我国的三大秸秆资源。常见的废木质纤维素原料包括：( 1 ) 农作物 纤维下脚料，包括稻麦草、高粱秸秆、玉米秸秆、玉米芯、棉籽壳、花生壳、稻 壳、棉花秆等。( 2 ) 森林和木材加工工业下脚料，包括森林抚育和间伐作业中的 零散木材、残留的树枝、树叶和木屑；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木 屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物等。( 3 ) 工厂下脚料，包括糖厂 的甘蔗渣、造纸厂的废纸浆等。( 4 ) 城市固体废弃物，包括城镇居民生活垃圾， 商业、服务业垃圾和少量的建筑垃圾等。废木质纤维素原料具有以下特点：( 1 ) 来源丰富，数量巨大，具有可再生性：( 2 ) 分散于符合某种条件的地区，原料的 供应、集约生产规模可灵活掌握；( 3 ) 原料形态多种多样，价格低廉，大多为废 弃物【l o - 1 3 】。这些特点说明废木质纤维素原料具有解决当前世界面临的粮食短缺、 能源危机和环境污染等问题的巨大潜力。 废竹质纤维来源于竹筷、竹席、竹地板等制品的下脚料，来源丰富、量大。 且毛竹相比较玉米秸秆、小麦秸秆和稻草等的产生都具有季节性，储存所占空间 较大，竹子是速生型植物资源，具有生长快、易繁殖、单产高、周期短，一次性 栽培造林、年年出笋长竹、三五年成材的优点。每年进行合理间伐，可连续利用 几十年【1 4 j 。竹质纤维的利用正日益受到人们的重视，在中国可持续发展战略中正 发挥着越来越重要的作用。 木质纤维素是多组分物料，其结构较复杂，由纤维素、半纤维素和木质素通 过共价键结成网络结构。木质纤维能源化的关键技术包括原料预处理、水解和发 酵。预处理和酶水解的成本是木质纤维素燃料乙醇规模化生产的瓶颈。本课题选 取毛竹作为研究对象，对木质纤维素制可还原糖的预处理技术、处理温度和酸碱 度等方面进行探讨，深度分析原料经预处理后结构的变化。优化酶水解条件，考 察酶解时间、酶浓度和底物浓度等对酶水解的影响。为后续的废竹质纤维制可还 原糖研究提供实验数据。 1 2 研究目的及创新点 1 2 1 研究目的 2 竹质纤维预处理及其酶解的研究 本课题为寻找经济可行、无毒无害的毛竹( p h y l l o s t a u c h y sp u b e s c e n s ) 纤维质 预处理技术，研究毛竹纤维质经预处理后纤维素、半纤维素及木质素含量随浸泡 液p h 值、浸泡时间、处理温度的变化；研究毛竹纤维原料的酶解条件，确定适 宜参数。为工程上利用废木质纤维素制可还原糖奠定理论和实践基础。 1 2 2 课题创新点 本课题的创新之处主要表现在：首次研究毛竹纤维制可还原糖的预处理和酶 水解条件，为工艺上处理毛竹木质纤维素制乙醇提供依据。产用的竹质纤维预处 理技术都是无毒无害的，对环境影响力小。 竹质纤维预处理及其酶解的研究 2 1 概述 第二章文献综述 以废木质纤维为原料生产燃料乙醇的关键技术包括：原料的预处理，水解和 发酵等。 木质纤维素的预处理是使其能源化的关键。由于废木质纤维素其主要成分： 纤维素、半纤维素和木质素本身均为具有复杂结构的高分子化合物，它们互相结 合形成超分子复合物，并进一步形成各种各样的植物细胞壁结构。这些复杂的三 维结构使植物体得以避免微生物及各种物理化学等因素的攻击，因此充分利用木 质纤维素资源的主要难题是如何克服这种难降解性。木质纤维素经预处理后，半 纤维素可被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖，使纤维素与木质素、半纤维素等分离， 使纤维素内部氢键打开，使结晶纤维素成为无定型纤维素，以及进一步打断部分 p 1 ，4 糖苷键，降低其聚合度。常用的预处理的方法有物理法、化学法、物理化学 法和生物法。 妨碍木质纤维素原料生物转化技术实际应用的另一个主要障碍是自然界中 的主要纤维降解酶类的酶活通常都比较低，致使酶的生产成本高，影响了酶的广 泛应用。因此，选择高效纤维素酶并且优化酶水解条件显得十分重要。常见的水 解方法有酸水解和酶水解。 乙醇发酵有直接发酵法，间接发酵法，混合菌种发酵法，同时糖化发酵法 ( s s f ) ，非等温同时糖化发酵( n s s f ) ，固定化细胞发酵等。 2 2 燃料乙醇国内外发展现状 美国是燃料乙醇的主要生产国之一，其于2 0 0 7 年1 2 月签署的2 0 0 7 能源独立 和安全法案中要求到2 0 2 2 年美国可再生燃料年产量达到3 6 0 亿加仑( 现有水平的 5 倍) ，其中以农业废弃物、木屑和牧草为原料生产的纤维素生物燃料要占到1 6 0 亿加仑【1 5 1 。另一燃料乙醇生产大国巴西是世界上唯一不使用纯汽油作为汽车燃料 的国家【1 3 】，也是世界上最大的燃料乙醇生产和消费国，年产乙醇1 2 0 0 万吨左右 4 竹质纤维预处理及其酶解的研究 【1 6 1 。其在燃料乙醇的生产和技术发展上也取得了较大的成果，2 0 世纪8 0 年代开发 的甘蔗渣产乙醇技术居世界领先地位，且已在多个国家注册了专利。其他国家， 如日本，加拿大，西班牙等，都相继开始实施燃料乙醇的开发计划，并组织专门 的研究机构进行专题研究，且取得了一定的成果1 7 1 8 1 。 我国在“十五”规划中制定三步走燃料乙醇发展规划，其中第三步即利用植 物秸秆、稻壳等木质纤维素生产燃料乙醇，并全面推广，使车用乙醇汽油在两三 年内占到市场份额的2 5 3 0 。目前，我国已开始了燃料乙醇产业的建设，2 0 0 6 年9 月，国内首条千吨级纤维乙醇产业化试验生产线在河南镇平县奠基。 在石油进口依赖度加深，国际石油价格进入高价时代等大背景下，国内燃料 乙醇产能扩大已成为无法阻挡的趋势。预计未来1 0 年内，全球燃料乙醇年消费量 将达到1 6 0 1 8 0 亿加仑。1 0 年后，我国燃料乙醇年需求量保守估计将达5 0 0 万吨， 而由粮食生产乙醇对我国来言是不可行的，因此必须推广废木质纤维素生产乙醇 技术。 2 3 废木质纤维素结构及能源化途径 2 3 1 一般木质纤维素结构 木质纤维素( 1 i 口0 c e l l u l o s e ) 主要由纤维素( c e l l u l o s e ，约占1 3 1 2 ) 、半纤维素 0 1 e m i c e l l u l o s e ，约占1 4 1 3 ) 和木质素( 1 i 印j i l ，约占1 5 1 4 ) 三大部分组成，构成 了植物的细胞壁，对细胞起保护作用。纤维素分子排列规则、聚集成束，由此决 定了植物细胞壁的构架。在纤维素、半纤维素和木质素分子之间存在着不同的结 合力。纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖于氢键，半纤维素和 木质素之间除氢键外，还存在着化学键的结合。木质素原料的结构示意图如图2 1 所示。 竹质纤维预处理及其酶解的研究 本质豢誓纾缝褒 2 3 2 竹质纤维结构 图2 1 木质纤维素结构示意图 f i g 2 - l1 1 1 es 伽l c n 鹏o fl i 印o c e l l u l o 辩 竹子属于禾本科( p o a c e ) 竹亚科( b 锄b u s o i d e ) 多年生常绿植物，全世 界约有7 0 属1 2 0 0 多种【1 9 ，删，主要分布于亚洲。竹子竹青部分的纤维素为4 2 9 4 、 总木质素为2 5 2 3 ；竹黄部分纤维素为4 2 1 6 、总木质素为2 4 7 2 。具有良好 的开发价值。毛竹的嫩竹纤维素含量高达7 5 ，一年生约为6 6 ，三年生为5 8 。 半纤维素含量一般为1 5 2 5 ，木质素含量约为2 5 左右。表2 1 分别列出了5 种 常见木质纤维素原料纤维素、半纤维素和木质素含量。 竹子是森林资源的重要组成部分，作为世界上竹子资源最丰富的国家，我国 是竹子的中心产区之一，素有“竹子王国”的美誉。中国有4 0 多属5 0 0 多种竹类 【1 9 l ，竹林面积估计有4 0 0 多万顷之多，主要分布在我国南方各省，约占全国森林 总面积的3 ，占世界竹林总面积的2 5 【2 0 】。具有较高经济价值的毛竹林约有2 8 0 万公顷，占7 0 左右【2 1 1 。表2 1 列出了常见的物种废木质纤维原料的组成成分。 6 竹质纤维预处理及其酶解的研究 表2 1 五种木质纤维素原料的组成成分1 2 2 】 t 曲l e 2 1t h e c o m p o n e n t so ff i v ek i n d sl i g n o c e l l u l o s i cm a t e r i a l s 2 3 3 废木质纤维素能源化途径 纤维素和半纤维素经糖化和发酵转化为乙醇( e m a i l 0 1 ) ，而木质素的降解物不 含可发酵糖，只能通过燃烧供热( 或发电) 或化学转化为燃料添加剂( 或其他生物制 品或工业原料) 加以综合利用【2 3 1 。图2 2 为废木质纤维素生产燃料乙醇的工艺路 线： o 图2 2 废木质纤维素生产燃料乙醇工艺路线 f i g 2 21 1 1 ep r o c e d u r eo fc e l l u l o s et 0f i l e le t h a n o l c h 2 0 h 图2 3 纤维素分子链结构式 n 为d 葡萄糖苷的数目，即聚合度 f i g 2 3m o l e c u l a rs n l j c t u r eo fas i n g l ec e l l u l o s ec h a i l l 7 圈区圈 竹质纤维预处理及其酶解的研究 纤维素是细胞壁的主要成分，一种有1 0 0 1 0 0 0 个p d 吡喃型葡萄糖单体以p 1 ， 4 糖苷键连接的直链多糖，多个分子平行紧密排列成丝状不溶性的微小纤维 刀】。图2 3 为纤维素分子链结构式。葡萄糖的p 1 ，4 糖苷键连接方式使纤维素近 乎所有羟基及其它含氧基团，都同其分子内或相邻的分子含氧基团之间，形成分 子内和分子链之间的氢键。这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构，并进 而组成复杂的基元纤维、微纤维、结晶区和无定型区等纤维素聚合物的超分子结 构。在纤维素的周围填充着半纤维素和木质素，阻碍了纤维素酶同纤维素分子的 直接接触。纤维素的特殊结构使纤维素酶分子很难靠近纤维素分子内部的糖苷键 进行有效反应。纤维素不溶于水和一般的有机溶剂，但具有强亲水性，可被水溶 胀。纤维素能溶于碱性溶液和高浓度无机酸溶液中，纤维素经水解可以生成葡萄 糖，该反应为【1 3 1 ： ( c 6 h 1 0 0 5 ) n + r 蛆2 0 nc 6 h 1 2 0 6 人们研究植物纤维在碱溶液中的溶解程度发现有些物质很容易溶解，有些不 易溶解，于是将植物纤维分为纤维素和半纤维素。半纤维素是植物纤维原料中的 另一个主要组成，是纤维素以外的碳水化合物，由有限的一些糖单元构成，它们 主要是戊糖的d 木糖和l 。阿拉伯糖；己糖的d 阿拉伯糖； 半纤维素在结构和组成上变化很大，一般由较短( 聚合度小于2 0 0 ) 、高度分 枝的杂多糖链组成【2 5 j 。既可成均一聚糖也可成非均一聚糖，还可由不同的单糖基 以不同的连接方式连成结构不同的多种结构的聚糖，故半纤维素实际是这类共聚 物的统称。常见的有木聚糖、阿拉伯木聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳葡萄甘露 聚糖等，多通过p 1 ，4 糖苷键连接，含有五碳糖( 通常是d 木糖和l 阿拉伯糖) 、 六碳糖( d 半乳糖、d 葡萄糖和d 甘露糖和糖醛酸) 。各种植物纤维原料的半纤维 素链上连接着数量不等的甲酰基和乙酰基，其分支结构使半纤维素无定型化，比 较容易被水解成其组成的糖类口6 之引。半纤维素中木聚糖的水解过程可表示为【1 3 】： ( c 5 h 8 0 4 ) n l + mh 2 0 mc 5 h 】0 0 5 木质素是存在植物纤维中的一种芳香族高分子化合物【2 5 】。在植物组织中具有 增强细胞壁、粘合纤维的作用。分离出来的木质素是黄褐色无定形粉末。木质素 并不是由碳水化合物组成，而是由苯丙烷结构单元组成的近似球状的高聚体，非 常