【摘 要】
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为缓解能源危机、实现“碳中和”目标,我们需要改变现有能源结构,大力发展可再生能源。木质纤维素废弃物作为一种清洁高效的生物燃料的潜在来源受到人们的广泛关注。但木质纤维素各组分之间复杂且稳定的交联结构导致其难以被微生物直接利用,因此需要对其进行预处理,提高其可及性。白蚁能高效降解木质纤维素是由于其白蚁-真菌自然共生体系和白蚁自身高度耦合的消化系统。白蚁蚁巢内存在外共生生物对木质纤维素进行生物预处理,之
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会重点项目（No.51836001）； 国家自然科学基金创新研究群体项目（No.52021004）；
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为缓解能源危机、实现“碳中和”目标,我们需要改变现有能源结构,大力发展可再生能源。木质纤维素废弃物作为一种清洁高效的生物燃料的潜在来源受到人们的广泛关注。但木质纤维素各组分之间复杂且稳定的交联结构导致其难以被微生物直接利用,因此需要对其进行预处理,提高其可及性。白蚁能高效降解木质纤维素是由于其白蚁-真菌自然共生体系和白蚁自身高度耦合的消化系统。白蚁蚁巢内存在外共生生物对木质纤维素进行生物预处理,之后白蚁再对木质纤维素咀嚼进行物理破碎并伴随唾液腺分泌内源性漆酶进行同步预处理,最后木质纤维素再进入到肠道中被纤维素酶高效转化。基于其预处理方式和过程,本文提出了漆酶-球磨级联预处理和漆酶-球磨同步预处理两种复合预处理方式,研究了不同预处理条件对预处理和后续酶解的影响,并通过对预处理前后的小麦秸秆进行表征分析,揭示小麦秸秆理化特性的演变过程和机理,最后对整个预处理和酶水解过程进行了（火用）分析,为后续资源化利用提供指导。取得的研究成果主要如下:（1）研究了预处理温度（室温-50℃）、转速（200-500 rpm）、时间配比（12:1到12:6）和浆液浓度（2.5 wt%-7.5 wt%）对漆酶-球磨级联预处理小麦秸秆酶水解特性的影响规律,并结合傅里叶红外光谱、电子扫描显微镜、X射线衍射等方法对最佳预处理条件下预处理前后小麦秸秆的结构等进行了表征和分析。在最优预处理条件（400 rpm、12-3 h、40℃和5 wt%）下,级联预处理初始纤维素和半纤维素水解速率分别达到了5.8和1.6 g/（L·h）,比未预处理分别提高了272.9%和361.8%,水解72 h后葡萄糖和木糖浓度分别达到17.3和6.3 g/L,分别提高了256.7%和299.0%,对应纤维素和半纤维素转化率为88.2%和56.7%,分别提高了211.7%和288.3%。表证结果表明:级联预处理能降低小麦秸秆中木质素含量,破坏小麦秸秆结构,有效提高小麦秸秆的孔隙度、平均孔径和总孔容;同时能减小粒径,增大比表面积,降低纤维素结晶度,使纤维素I型向纤维素II型和无定形纤维素转变。（2）研究了预处理转速（200-400 rpm）、时间（9-15 h）和浆液浓度（2.5 wt%-7.5wt%）对漆酶-球磨同步预处理小麦秸秆酶水解特性的影响规律。在最优预处理条件（300 rpm、12 h、40℃和5 wt%）下,同步预处理初始纤维素和半纤维素水解速率分别达到了6.8和2.5 g/（L·h）,比未预处理分别提高了337.5%和627.6%,水解72 h后葡萄糖和木糖浓度分别达到20.1和8.8 g/L,分别提高了314.1%和458.7%,对应纤维素和半纤维素转化率为99.2%和75.3%,分别提高了250.7%和415.7%。与级联预处理相比,同步预处理具有更好的酶解效率,同时同步预处理也更适合处理高浓度、高粘度物料。表征结果表明:同步预处理相比级联预处理能降解更多的木质素,产生更多的孔隙结构,同时也使结晶区纤维素含量更少,更有利于后续酶解过程,表明同步预处理有很好的协同效应。（3）对最佳预处理条件下的漆酶-球磨级联预处理和漆酶-球磨同步预处理分别进行了（火用）分析。对于整个预处理及酶水解过程,漆酶-球磨级联预处理的通用（火用）效率、（火用）损率、功能（火用）效率分别为56.3%、43.7%和11.7%,归一化（火用）破坏为3.7 k J/k J monosaccharides,漆酶-球磨同步预处理的通用（火用）效率、（火用）损率、功能（火用）效率分别为56.6%、43.4%和14.7%,归一化（火用）破坏为3.0 k J/k J monosaccharides。与级联预处理（400 rpm、12-3 h、40℃和5 wt%）相比,同步预处理（300 rpm、12 h、40℃和5 wt%）由于其协同作用,在更低的预处理条件实现更高的水解效率,具有更高的（火用）效率和更低的归一化（火用）破坏。采用两种复合预处理方法对生物质进行预处理和酶水解整个过程中,预处理过程（火用）损最大。
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