木薯秸秆高效水热预处理及酶解糖化研究

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目的:水热预处理是提升木质纤维素原料酶解糖化效率的潜在有力手段,与研究较多的草本植物相比,木本植物原料的高效预处理和酶解是更大挑战。本论文目标是以课题组前期芒草等草本植物水热预处理研究为基础,构建针对木本植物木薯秸秆的高效有机酸、碱乙醇等辅助水热预处理技术,探索糖产率提高的内在机制,为纤维生物质能源转化及工业化应用提供基础和技术支撑。方法:首先研究有机酸辅助水热预处理(OAHP)对木薯秸秆的影响,将有机酸种类、有机酸浓度以及预处理温度作为主要考察因素,以秸秆预处理阶段糖产率(简称预处理糖产率,YSP)、秸秆酶解阶段的糖产率(简称酶解糖产率,YSEH)和可发酵糖总产率(简称总糖产率,YST)作为主要的评测指标。其次研究有机酸-碱两步预处理(OAHP-AHP)对于木薯秸秆预处理酶解过程糖回收的影响,检测固体纤维组分、纤维素可及度、酶吸附能力以及纤维结晶度变化,考察有机酸-碱两步预处理及酶解的增强机制。最后,研究碱-乙醇辅助水热预处理(AEHP)对木薯秸秆组分结构以及后续酶解的影响,增强木薯秸秆预处理和酶解过程糖回收。结果:(1)建立了提高木薯秸秆YSP的OAHP过程。OAHP脱木质素能力不强,但可有效溶解并回收半纤维素等组分,破坏纤维结构;优化了温度、酸种类和浓度等参数,优选条件下(150℃,60 min,5%草酸),YSP达178.0 mg/g,YSEH达91.2 mg/g,YST达234.3 mg/g。OAHP过程可取得较高YSP,但对YSEH的提升有限。(2)建立了提高木薯秸秆YSP和YSEH的OAHP-AHP两步预处理过程。OAHP能有效回收易水解纤维组分,获得较高YSP,随后的碱处理(AHP)能加强脱木质素,提升秸秆YSEH。优选条件下(一步OAHP:150℃,60 min,5%草酸;二步AHP:180℃,60 min,3.0%Na OH),YSEH达206.6 mg/g,YST达273.2mg/g,YST是对照的3倍,但木薯秸秆的难降解特性使YSEH仍有较大提升空间。(3)建立了显著提升木薯秸秆YSEH的AEHP一步预处理过程。对玉米等草本植物秸秆十分高效的AHP(106.9 vs.747.9 mg/g),对木薯秸秆的酶解增强却十分有限(92.3 vs.208.9 mg/g);与之相比,AEHP过程产生了更强结构破坏、木质素去除和易降解半纤维素保留,预处理秸秆可及度和过程糖产率也变得更高,优选条件下(180℃,60 min,3%碱-乙醇),YSEH高达865.7 mg/g,显著高于对照和上述其他预处理秸秆。结论:(1)草酸辅助OAHP能促进预处理过程纤维组分溶解、结构破坏和溶解组分回收,提高木薯秸秆预处理YSP,但不能显著提升酶解效率;OAHP-AHP两步预处理可进一步促进OAHP预处理秸秆的木质素去除与结构破坏,提升YSEH。(2)AHP对草本原料十分高效,但对木本原料木薯秸秆YSEH的提升有限;AEHP可显著提高木薯秸秆的YSEH,更强结构破坏、木质素去除、可及度提高和易降解半纤维素保留等是其提升酶解效率的关键因素。
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