碱结合臭氧预处理玉米秸秆促进纤维素酶解规律研究.docx

碱结合臭氧预处理玉米秸秆促进纤维素酶解规律研究摘要本实验的目的是探究如何更好的破坏木质纤维素外面致密的网状结构，降低纤维素结晶的结晶度，提高纤维素的酶解率。前期大量研究致力于NaOH结合臭氧预处理后秸秆纤维素酶解效果，发现秸秆于2%Na0H溶液中在80C下处理2h结合初始Ph9下臭氧浓度78mgmL处理25min后纤维素酶解率最高。本文在最优预处理条件基础上设置处理时间梯度，分析达到最优预处理过程中木质素去除率、纤维素和半纤维素含量变化，纤维素酶解转化率；采用神经网络反向传播算法建立预处理对纤维素酶解影响的动力学数学模型。实验结果表现为在NaOH处理120min和臭氧处理25min的过程中，随着木质素含量的下降和纤维素含量的上升，纤维素酶解转化率呈上升趋势，NaOH处理12Omin时木质素去除率最高为86.66%,纤维素含量最高为65.63%,此时的纤维酶解效果最好，酶解转化率达90.11%。最优碱结合臭氧预处理玉米秸秆的纤维素酶解动力学研究表明，根据所测数据推导的模型可以成功应用于预处理促进纤维素酶解转化率的设计预测中，均方根误差百分比为0.351%。关键词：臭氧；协同预处理；纤维素酶水解;木质素AbstractThepurposeofthisexperimentistoexplorehowtobetterdestroythedensenetworkstructureoflignocellulose,reducethecrystallinityofcellulosecrystals,andincreasetheenzymatichydrolysisrateofcellulose.AlargenumberofpreviousstudiesfocusedonthecelluloseenzymatichydrolysiseffectofNaOHcombinedwithozonepretreatment.Itwasfoundthatthestrawwastreatedin2%NaOHsolutionat80for2hoursandtheinitialPh9ozoneconcentrationat78mg/mLfor25minutesaftercellulasedigestion.Thehighestrate.Inthispaper,theprocessingtimegradientissetonthebasisoftheoptimalpretreatmentconditions,andtheligninremovalrate,thecelluloseandhemicellulosecontentchanges,andtheenzymatichydrolysisconversionrateofthecelluloseduringtheoptimalpretreatmentprocessareanalyzed;theneuralnetworkbackpropagationalgorithmisadopted.Akineticmathematicalmodelfortheeffectofpretreatmentontheenzymatichydrolysisofcellulosewasestablished.TheexperimentalresultsshowedthatduringtheNaOHtreatmentfor120minandtheozonetreatmentfor25min,withthedecreaseoflignincontentandtheincreaseofcellulosecontent,theenzymatichydrolysisconversionrateofcelluloseshowedanupwardtrend,andtheligninremovalratewasthehighestat120minafterNaOHtreatment.86.66%,thehighestcellulosecontentwas65.63%.Atthistime,thebestenzymolysisefficiencywasachieved,andtheenzymolysisconversionratewas90.11%.Cellulasedigestionkineticsofoptimalalkali-bondedozonepretreatmentofcornstovershowedthatthemodelderivedfromthemeasureddatacanbesuccessfullyappliedtothedesignpredictionofpretreatmentforpromotingtheenzymatichydrolysisrateofcellulose,andtherootmeansquareerrorpercentageis0.351%.Keywords:Ozone;Combinedpretreatment;Enzymatichydrolysisofcellulose;Lignocellulose目录1引言11.1 木质纤维素三种主要成分的定义11.1.1 纤维素11.1.2 半纤维素21.1.3 木质素21.2 木质纤维素预处理技术31.2.1 物理法预处理31.2.2 化学法预处理41.2.3 生物法预处理51.2.4 混合法预处理51.3 臭氧处理木质纤维素技术研究进展61.4 目的及意义62.材料与方法62.1 材料62.2 实验方法72.2.1 玉米秸秆中纤维素、半纤维素、木质素含量的测定72.2.2 HPLC法测定单糖及预处理降解副产物82.2.3 纤维素酶解转化率的计算：92.2.4 预处理方法92.2.5 酶解方法102.2.6 预处理产物测定103结果与讨论103.1 预处理玉米秸秆质量损失率分析103.2 碱结合臭氧预处理中NaOH处理玉米秸秆质量损失率分析103.3 碱结合臭氧预处理中臭氧处理玉米秸秆质量损失率分析113.4 碱结合臭氧预处理条件对秸秆纤维素酶解转化率的影响113.4.1 碱结合臭氧预处理中NaOH处理条件对秸秆纤维素酶解转化率的影响.123.4.2 碱结合臭氧预处理中臭氧处理条件对秸秆纤维素酶解转化率的影响123.5 碱结合臭氧预处理条件对玉米秸秆纤维素含量的影响133.5.1 碱结合臭氧预处理中NaOH处理条件对玉米秸秆纤维素含量的影响133.5.2 碱结合臭氧预处理中臭氧处理条件对秸秆纤维素含量的影响143.6 碱结合臭氧预处理条件对秸秆半纤维素含量的影响153.6.1 碱结合臭氧预处理中NaOH处理条件对秸秆半纤维素含量的影响153.6.2 碱结合臭氧预处理中臭氧处理条件对秸秆半纤维素含量的影响153.7 碱结合臭氧预处理条件对秸秆脱木质素率的影响163.7.1 碱结合臭氧预处理中NaOH处理条件对秸秆脱木质素率的影响163.7.2 碱结合臭氧预处理中臭氧处理条件对秸秆脱木质木质素率的影响173.8 碱结合臭氧预处理玉米秸秆酶解动力学研究183.8.1 动力学模型的建立193.8.2 非线性拟合图203.8.3 模型的应用204.结论22参考文献23致谢错误!未定义书签。1引言1.1 木质纤维素三种主要成分的定义木质纤维素是天然可再生木材经过化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质，无毒、无味、无污染、无放射性。木质纤维素主要通过光合作用等各类生物方式转化而来，是植物细胞壁的重要组成部分。其来源广、品种多，其来源主要包括树木、农作物稻杆、植被、草类等。木质纤维素是结构复杂的高分子复合物，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中大部分纤维素以结晶态纤丝的形式存在，被包裹于半纤维素、木质素通过共价键连接构成的空间网状结构中。这种结构特点使得木质纤维生物质对相关的降解酶类具有较强的抗性，导致其酶水解效率低下，限制木质纤维素资源的利用。1.1.1 纤维素纤维素作为生物质的重要组成部分，是由D-葡萄糖单元p-1,4-糖苜键结合而成的链状高聚体，其分子由碳（44.44%）、氢（6.17%）、氧（49.39%）三种元素构成，化学结构实验分子式为（C6Ho5）n,其中n为纤维素聚合度。在纤维素分子中，纤维素的葡萄糖单元的C2和C3位含仲醇羟基，C6含伯醇羟基，除游离羟基外，这些羟基形成了纤维素分子内或者分子间氢键，在碱性溶液中，大量低分子量纤维素会发生润胀及溶解网。部分纤维素分子链规则平行排列且定向良好，表现出晶体特性，即形成了纤维素结晶区；而部分纤维素分子链无序排列，形成了纤维素无定形区（图1）。结晶区之间的连接部分为无定形区，两者无明显的界限，彼此间的过渡是渐变的。即纤维素是同质多晶的大分子化合物，是结晶区和非结晶区交错联结构成的二相体系。现已知的纤维素的结晶结构有纤维素1（天然纤维素）、纤维素11（水化纤维素）、纤维素III、纤维素IV以及纤维素V五种。纤维素I的结晶结构存在三斜晶系Ia（triclinic）和单斜晶系I（monoclinic）两种变体，前者主要存在于细菌及藻类中，后者主要存在于木材及高等植物中。纤维素通过水解可得到葡萄糖和低聚物，这些葡萄糖和低聚物可作为食品和饲料，也可作为原料进一步生产乙醇等其他物质网。纤维素也是一种相对吸湿材料，但不溶于水，由于纤维素链的亲水特性一般在水中只是发生润胀，目前，常用的溶解纤维的体系主要有磷酸、氧氧化钠/尿素等。图1纤维素结构1.1.2 半纤维素半纤维素是植物纤维原料中含量仅次于纤维素的第二大类多糖，与纤维素不同，半纤维素是无定形的带有支链的不均一聚糖，由多种单糖和糖醛酸组成。组成半纤维素的单糖有D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、L-岩藻糖、L-鼠李糖和L-阿拉伯糖；糖醛酸有D-半乳糖醛酸、4-0-甲基-D-葡萄糖醛酸及D-葡萄糖醛酸。通常，半纤维素分为以下五种类型：葡萄糖甘露聚糖、半乳甘露聚糖、木聚糖（阿拉伯木聚糖和4-0-甲基-葡萄糖醛酸木聚糖）、葡聚糖及木糖葡聚糖。通常，依据植物纤维原料的种类、地理位置、取材部位、处理方法的不同,半纤维素结构各不相同。针叶木中半纤维素主要为半乳糖葡萄糖甘露聚糖和阿拉伯糖半乳聚糖，阔叶木中半纤维素主要为葡萄糖醛酸木聚糖和葡萄糖甘露聚糖,禾本科植物中半纤维素主要为阿拉伯木聚糖和葡萄糖醛酸木聚糖。通常，碳水化合物（主要为半纤维素）与木质素交联形成木质素-碳水化合物复合体。在禾本科原料中，半纤维素还与木质素通过半纤维素-酯键-阿魏酸-酸键-木质素的形式相连接，而通过氢键和范德华力附着在纤维素表面，因此也将半纤维素比作填充在纤维细胞壁间的“粘合剂”。与纤维素相比，半纤维素易于被水解成单糖。在木质纤维原料的主要组分中，半纤维素是对热化学最为敏感的组分口纥1.1.3 木质素木质素是植物纤维原料中第三大高分子聚合物，它存在于植物细胞壁中，赋予纤维原料刚性、防渗、抗微生物攻击及氧化应激等性能UL木质素的基本单体愈创木基苯丙烷（G）、紫丁香基苯丙烷（三）及对羟基苯丙烷（三）组成了其基本结构单元。每种木质素结构单元含量的差异及结构单元间形成的连接键的多样性，使得同一种植物不同部位的木质素结构也表现出不均一性。不同种类的植物中木质素的含量及组成也具有显著的不均一性，针叶木主要由G型单元组成，木质素含量为25-35%；阔叶木由G型和S型单元组成，木质素含量为20-25%；而禾本科植物木质素由G型、S型和H型三种单元组成，木质素含量为15-25%,21o木质素结构单元间的联接方式主要为碳碳键和酸