过氧乙酸协同金属盐水热预处理杨木纤维研究

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木质纤维类生物质是地球上最为丰富的一种可再生资源,以其为原料精炼产燃料乙醇对于缓解全球性能源危机和改善环境具有重要意义。然而,由于木质纤维存在着天然的抗降解屏障机制,严重制约了原料的酶解糖化效率,增加了木质纤维乙醇的生产成本。因此,针对不同原料采用适当的预处理,打破其抗降解屏障,对于木质纤维乙醇生产至关重要。本文以杨木粉为原料,开发了过氧乙酸协同金属盐水热预处理工艺,实现了在温和条件下高效拆解分离杨木纤维。主要研究结果如下:(1)以预处理液糖溶出量、抑制物浓度及酶解糖化率等为评价指标,在水热条件下,筛选出最优预处理氧化剂过氧乙酸(PAA)及金属盐三氯化铁(FeCl3),结果表明:PAA预浸渍12h后,杨木结构发生蓬胀疏松变化,相对结晶度增加,酶解糖化率相对未处理原料提高了 3%;PAA协同FeCl3预浸渍水热预处理后,木糖溶出量为4.45 g/L,说明在预处理过程中部分半纤维素被去除,主要抑制物浓度较低(糠醛浓度为8.56 mg/L、5-羟甲基糠醛浓度为4.46 mg/L);PAA协同FeCl3预浸渍水热处理相比PAA、FeCl3单一水热处理后酶解糖化率分别提高了17%和63%。(2)以半纤维素拆解分离得率及酶解糖化率为评价指标,采用单因素及正交实验优化了 PAA协同FeC13水热预处理杨木工艺。以半纤维素拆解分离得率为评价指标,获得最高半纤维素拆解分离得率98.2%(酶解糖化率58.9%)。以酶解糖化率为评价指标,获得最优参数:0.076g/mLPAA,0.01 mol/LFeCl3,100℃,60min,在此条件下酶解糖化率为86.1%(半纤维素拆解分离得率82.0%)。影响酶解糖化的因素次序为:PAA浓度>FeC13浓度>反应温度>反应时间。采用FTIR、XRD、XPS、SEM、TGA等手段对杨木原料、预处理及酶解糖化后残渣进行了表征,结果表明,经过PAA协同FeC13水热预处理后杨木纤维结构发生蓬松、润胀变化,半纤维素和木质素的红外基团吸收峰强度降低,预处理后样品相对结晶度上升,增强了半纤维素的拆解分离效果,提高了酶解糖化率。(3)在前期已有基础之上,采用单因素及正交实验优化了预处理杨木纤维酶解糖化工艺,结果表明,在最优条件:纤维素酶15 FPU/g+β-葡萄糖苷酶9U/g,底物浓度9%(w/v),酶解时间84h,酶解糖化率为87.1%。影响酶解糖化的因素次序为:酶载入量>酶解时间>底物浓度,为反馈指导预处理工艺优化提供了重要依据。
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