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题名	小麦秸秆预处理及酶水解研究
作者	齐本坤
学位类别	博士
答辩日期	2010-06-10
授予单位	中国科学院研究生院
导师	万印华
关键词	稀酸预处理 表面活性剂 纳滤 酶循环
其他题名	Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Wheat Straw
学位专业	生物化工
中文摘要	生物转化丰富、价廉的木质纤维素生产生物燃料或生物化学品，对经济社会的可持续发展具有十分重要的意义。本论文对木质纤维素的预处理、预水解液的纳滤脱毒、酶吸附和酶循环以及丙酮-丁醇-乙醇（Acetone-Butanol-Ethanol, ABE）发酵产物对酶活力及酶水解的抑制作用进行了系统研究。针对木质纤维素稀酸预处理产生的预处理固体中木质素含量高，酶水解效率低的难点，本论文采用非离子表面活性剂（Tween 20）辅助的稀酸法对小麦秸秆进行预处理，以期望提高预处理秸秆的糖化率。结果表明，与单独的稀酸预处理相比，这种组合的预处理方法既不对水不溶性固体的化学组分产生影响也不对预水解液的组分产生影响，但能显著提高纤维素酶水解预处理秸秆的葡萄糖和木糖产率。在酶解阶段再加入Tween 20对酶解组合预处理秸秆的葡萄糖产率没有显著影响，但却能显著提高酶解组合预处理秸秆的木糖产率。纤维素酶定量吸附实验证明，在预处理阶段加入的非离子表面活性剂可能对木质素表面的疏水性基团进行了修饰。稀酸预水解液中含有的弱酸类和醛类等毒性抑制物严重影响微生物发酵，所以必须进行去除，本论文采用纳滤方法按照先模拟溶液后实际料液的模式，进行预处理抑制物和单糖分离的研究。在纳滤分离模拟溶液中单糖（木糖和葡萄糖）和不带电荷糠醛的研究中，主要考察了溶液pH、渗透通量、温度以及溶质浓度对纳滤分离效果的影响。结果显示，NF90膜和NF270膜在优化条件下，均能较好实现单糖和糠醛的分离。此外，两种纳滤膜的分离效果受原料液中木糖、葡萄糖和糠醛浓度交互作用的影响。在纳滤分离模拟溶液中木糖和带电荷弱酸性抑制物（甲酸、乙酸和乙酰丙酸）的研究中，考察了溶液pH和温度对纳滤分离性能的影响以及洗滤体积倍数对木糖回收率和弱酸性抑制物去除率的影响。实验结果表明，溶液pH和温度对纳滤分离性能有显著影响。随溶液pH和操作温度的不同，NF90膜对木糖和弱酸性抑制物的截留率分别在96.4%~98.3%之间和4.5%~98.0%之间；而NF270膜对木糖和弱酸性抑制物的截留率分别在25.6%~85.8%之间和-2.7%~90.9%之间。随洗滤体积倍数的增加，木糖和弱酸性抑制物的透过率都呈上升趋势。小麦秸秆稀酸预水解液经NF90膜和NF270膜连续浓缩后，主要单糖木糖、葡萄糖和阿拉伯糖的浓度增加2.6~3.3倍，而主要抑制物糠醛和乙酸的浓度仅增加1.1~1.4倍。采用纳滤技术对稀酸预水解液进行处理既能去除预处理抑制物又能浓缩糖分，是一种一举两得的方法。酶回用可大大降低酶水解成本，本论文比较了四种酶回用方法的回收效果。这四种酶回用方法可以分为两大类：吸附回收方法和超滤回收方法，每一种方法都既能回收反应液中的纤维素酶又能回收吸附在水解残渣上的纤维素酶。每一种回用方法分别对酸处理的秸秆和碱处理的秸秆进行三轮酶循环实验。结果表明，超滤回收方法较吸附回收方法的优势是能回收β-葡萄糖苷酶进而避免在下一轮循环中加入该酶，进而显著提高酶水解的经济性。碱处理底物的回收效果好于酸处理底物。此外，碱处理底物的水解率高于酸处理底物，但酸处理底物吸附更多的纤维素酶，表明木质素对酶水解、酶吸附和酶循环有显著影响。同步糖化发酵木质纤维素产ABE可降低酶的末端产物抑制，提高ABE产率，但也可能存在ABE发酵产物对酶活力及酶水解的抑制作用。本论文系统考察了单独及组合的ABE发酵产物（丙酮、丁醇、乙醇、乙酸和丁酸）对纤维素酶活、β-葡萄糖苷酶活和木聚糖酶活以及对酶水解稀酸预处理小麦秸秆的影响。结果表明，丁醇严重抑制纤维素酶活和木聚糖酶活以及小麦秸秆的酶水解。组合的ABE发酵产物不存在对酶活力及酶水解的协同抑制作用。同步糖化与发酵的合适温度是37 °C。组合的ABE发酵产物与酶液孵育可显著降低各酶的活力。
英文摘要	Bioconversion of cheap, renewable and abundant lignocellulosic biomass to produce biofuels or biochemicals is very meaningful in sustaining the development of our economy and society. In this dissertation, non-ionic surfactant-assisted dilute acid pretreatment of lignocellulosic biomass, detoxification of lignocellulosic prehydrolysate by nanofiltration, cellulase adsorption and recycling during enzymatic hydrolysis of wheat straw lignocelluloses and the effects of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) fermentation products on enzymatic activity and hydrolysis of dilute acid pretreated wheat straw were systematically investigated.
语种	中文
公开日期	2013-09-17
页码	143
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1493]
专题	过程工程研究所_研究所（批量导入）
推荐引用方式 GB/T 7714	齐本坤. 小麦秸秆预处理及酶水解研究[D]. 中国科学院研究生院. 2010.

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