玉米秸稈制乙醇過(guò)程中的酸、堿預處理及聚乙二醇/酶解

七進(jìn)2008年第27卷增刊CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●105.玉米秸稈制乙醇過(guò)程中的酸、堿預處理及聚乙二醇/酶解計紅果12，龐浩，劉偉2，廖兵'(1中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所，中國科學(xué)院纖維素化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東廣州510650;2中國科學(xué)院研究生院，北京10039)摘要:為了用玉米秸稈制備乙醇，對玉米秸稈進(jìn)行酸堿預處理并進(jìn)行酶解。通過(guò)處理渣的紅外光譜、結晶度的變化及濾液中還原糖含量比較兩種方法對木質(zhì)纖維素的不同作用及對隨后纖維素酶水解的影響。非離子表面活性劑聚乙二醇對兩種玉米秸稈處理渣的酶解增強效果明顯。結果顯示酸處理主要是溶解木質(zhì)纖維素中的半纖維素，堿處理是降解木質(zhì)素，兩者分別獲得8.3 gL, 3.9 g/L還原糖;聚乙二醇對兩種處理渣的酶解都有促進(jìn)作用，本實(shí)驗條件下，堿處理效果較好,處理渣經(jīng)纖維素酶水解得到27.7 g[L還原糖，添加聚乙二醇后還原糖濃度提高50.5%.關(guān)鍵詞:玉米秸稈;預處理;酶解;聚乙二醇利用農作物秸稈、林業(yè)加工廢料和廢棄紙品壓下80~100 C攪拌、蒸煮回流6h。反應物冷卻, .等木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)綠色可持續發(fā)展能源替代過(guò)濾，清洗至pH=5~7,濾渣放于烘箱內105 C烘品-乙醇已成為國內外廣泛關(guān)注的研究課題["。干3h，以備下一步酶水解使用。其中較為有效的- -種轉化途徑是利用纖維素酶對預1.4聚乙二醇/纖維 素酶水解處理后的原料生物降解獲得糖，再通過(guò)微生物發(fā)酵0.1 mol/L、pH=4.8 的檸檬酸/檸檬酸鈉緩沖溶分解糖得到乙醇。預處理方法很多，真接影響酶解液60mL,酶/底物質(zhì)的量比為0.02,50C、160r/min效果25]。酶解是關(guān)鍵步驟，研究人員致力于從各方于SHZ 82A恒溫氣浴振蕩儀振蕩培養80 h。0.3 g面提高酶解效率，降低成本，研究發(fā)現非離子表面聚乙二醇4000于反應前1h加入?；钚詣γ杆饽举|(zhì)纖維素具有明顯的促進(jìn)效果。1.5分析測試.有相關(guān)報導表示表面活性劑對純纖維素的酶解無(wú)促取樣:反應過(guò)程中吸管取濾液，10 000 r/min進(jìn)作用'6，對酸處理木質(zhì)纖維素作用優(yōu)于堿處理木離心分離,取上清液待測。預處理液要求調pH=5~質(zhì)纖維素7，從而說(shuō)明其主要作用機制是表面活性7。酶解液取出后立即于沸水浴加熱5 min。劑減少了酶在木質(zhì)素上的無(wú)效吸附，提高酶利用還原糖總量由3.,5-二硝基水楊酸即DNS法用率8);還有報道稱(chēng)表面活性劑增強了體系的親水性,UV-2550紫外分光光度計測定。降低固液兩相反應阻力，提高了反應效率91。濾渣及原料的紅外吸收譜由RX-65A傅里葉紅本文分別采用酸、堿預處理玉米秸稈，比較兩外光譜儀測得。種作用方式的區別，將處理渣進(jìn)行纖維素酶水解和2結果與討論聚乙二醇/纖維素酶水解，考察處理方法對酶解的影響，以及聚乙二醇在纖維素酶水解兩種處理渣過(guò)程2.1玉米秸稈的預處理中的促進(jìn)作用。.按1.2所述分別對玉米秸稈粉進(jìn)行酸、堿預處理，從處理液中總還原糖含量隨時(shí)間變化及濾渣的1原料與方法紅外、X-ray 譜圖分析兩種處理方法的差異。1.1原料由圖1可看出，2354cm-1處的酸半纖維素特玉米秸稈購于遼寧省松原市，粉碎至80目左征峰經(jīng)堿處理后有所減弱，經(jīng)酸處理后基本消失,右，在105 C烘千3h備用。而1626 cm-'、1504cm~'、 1355cm~、1241 cm-里氏木酶纖維素酶，上海 伯澳生物技術(shù)有限公的吸中國煤化工酸可以溶解木質(zhì)司，初始酶活15 000 U/go纖維CN M H G降解部分木質(zhì)素，1.2 堿、堿預處理酸處理后，干纖班系僅舊肝，咸物分子結晶度也烘干的玉米秸稈粉分別于0.8%H2SO4水溶液、相應提高了，正如圖2所示，堿處理后，由于堿1.0%NaOH水溶液，以1: 15 (g/mL) 固液比，常的溶脹作用，使木質(zhì)纖維素經(jīng)臧處理后結晶度大●106.化工進(jìn)展2008年第27卷2.2玉米秸稈 的纖維素酶水解及聚乙二醇/纖維素24酸處理酶水解0r將酸、堿處理得到的濾渣于相同條件下分別進(jìn)270 F60原料行纖維素酶水解和聚乙二醇/纖維素酶水解。由圖4、查50圖5可見(jiàn)，酶解直接引起木質(zhì)纖維素結晶度的明顯0F30 t堿處理上升，這是由于底物分子中無(wú)定形態(tài)纖維素易受到0t酶的攻擊而降解，而結晶態(tài)組分由于致密結構不易o一與酶反應，隨水解進(jìn)行，底物中結晶組分將越來(lái)越4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500波數/cm~1多，表現為總體結晶度的上升。添加聚乙二醇酶解圖1玉米秸稈及其經(jīng)酸、 堿預處理后的濾渣的結晶度下降，即聚乙二醇的加入有利于纖維素酶水紅外吸光譜圖解結晶纖維素，使總體結晶度下降，這與預處理方法無(wú)關(guān)。1600一原料。3200280012002400PEG/酶解800x 2000海160040012000 t02040 6(8(100201(°1020 304050圖2玉米秸稈及其經(jīng)酸、 堿預處理后的濾渣的X-ray圖2081(° )圖4經(jīng)酸預處理 后的玉米秸稈直接酶解及添加聚乙二醇酶大下降。兩種處理方法都有利于隨后纖維素酶水解解的結晶度變化木質(zhì)纖維素，酸處理主要是通過(guò)溶解半纖維素，降200低反應阻力，增加纖維素表面積，利于酶與底物接3600觸并反應;堿處理主要通過(guò)溶脹底物分子，去除木3000 t質(zhì)素，增加反應面積，促進(jìn)酶解。圖3是兩種預處理溶液中總還原糖含量隨反應t 1800 t時(shí)間的變化。半纖維素的水解產(chǎn)物主要是大部分的1200 F五碳糖和少許六碳糖，而堿處理主要降解木質(zhì)素，600因此酸處理得到的糖高于堿處理。本實(shí)驗條件下，反應4小時(shí)后糖含量基本穩定,分別獲得8.3 g/L和3020<" )3.9 g/L的總還原糖.圖5經(jīng)堿預處理后的玉米秸稈 直接酶解及掭加聚乙二醇酶■酸處理圖6為酶解80h濾液中糖含量隨時(shí)間變化,●堿處理由圖6可知，直接酶解時(shí)，堿處理淹的初始反應速率及得糖率都高于酸處理，如表1所示，添加聚乙二醇酶解，酸、堿處理渣的最終得糖率分別為11.7gL中國煤化工別提高了27.2%、50.5CNMHG時(shí)間/h顯然，在本實(shí)驗條件r,餓處理玉米秸稈的酶圖3玉米秸稈經(jīng)酸、 堿預處理后濾液中解效果好于酸處理，聚乙二醇對兩種預處理渣的酶總還原糖含量解都有促進(jìn)作用，在堿處理渣.上表現更明顯。增刊計紅果等:玉米秸稈制乙醇過(guò)程中的酸、堿預處理及聚乙二醇/酶解●107.s0上升，得還原糖8.3g/L;堿處理主要是溶脹分子，，40去處木質(zhì)素，提高酶解效果，處理后結晶度下降，得還原糖3.9 g/L。 聚乙二醇可有效增強纖維素酶。30解效果，不受酸、堿處理方法限制，只是作用程; 20度不同。本實(shí)驗條件下，酸、堿處理的玉米秸稈10 I直接酶解得還原糖濃度分別為9.2 g/L、27.7 g/L，添加聚乙二醇酶解得還原糖濃度分別提高到11.7g/L、41.7g/L. 另外，木質(zhì)纖維素預處理及酶解效60時(shí)間h果也可從底物的失重率間接表現出來(lái)。非離子表圖6經(jīng)酸、 臧預處理后的玉米秸稈真接酶解及添加聚乙二面活性劑對纖維索酶水解木質(zhì)纖維素的增強作用醇酶解，溶液中還原糖含量隨水解時(shí)間的變化值得進(jìn)一步關(guān)注，下一步工作中作者將選擇具體■酸處理后直接酶解:●堿處理后直接酶解:體系進(jìn)行詳細研究。，▲酸處理后PEG酶解:▼堿處理后PEG酶觶參考文獻2.3失重率({1]陳洪章. 纖維素生物技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.對本文涉及的幾組實(shí)驗，計算相應的失重率，(2] 計紅果，龐浩，廖兵.木質(zhì)纖維戴的預處理及酶解[J].化學(xué)通報，2008 (5); 329-334.如表1所示。結合相應實(shí)驗所得還原糖含量可以[3] Charles E W, Bruce E D, RicbardTE, et al. Coordinated development看出，反應程度越大，所得糖濃度越高，失重率of leading biomass pretreatment technologies({]. Bioresource也越大。因此失重率也可以看作衡量反應效果的Teclnology, 2005. 96: 1959-1966.[4] ZuSD,WuY X, YuZ N, et a Comparison of three一個(gè)因素。microwave/cbemical pretreatment process for enzymatic bhydrolysis ofrice straw[J]. Biosysens Engineering. 2006， 93: 279-283.表1玉米秸稈的預處理 及酶解所得還原糖總量及失重辜[5] CariloF, Lis MJ, Colom X, et al. Efect of alkali pretreatment oncellulose hydrolysis of wheat staw: kinetic study PocssJ],實(shí)驗總還原糖/g.L1失重韋%Biochemistry, 2005, 40: 3360- 3364.酸預處理3.3{6] Brjesson J, Petersoo R, Tjemeld F Enhanced enzymatic conversion of堿預處理3.9softwood lgoclulose by poly(ethylene glycol) addition[J].酸處理后酶解,.26.7Enzymeand Microbial Technolog, 2007， 40: 754-762.[7] KristensenJB, BrjessonJ, Brun M H, etal. Use of surface active堿處理后酶解7.71.4additives in enzymatic bydrolysis of wheat straw lgnocelulose[I].酸處理后PEG酶解1.729.7Enaymeand Microbial Technolog, 2007, 40: 88-895.堿處理后PEG酶解[8] EnikssonT, Borjesso J, Tjerneld R. 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