油棕空果殼預(yù)處理、糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇及預(yù)處理機(jī)制的研究.pdf

1、油棕樹原產(chǎn)于非洲和美洲，19世紀(jì)被引進(jìn)到亞洲，主要產(chǎn)地分布在馬來(lái)西亞，印度尼西亞等，其數(shù)量占全球油棕分布的85％以上。油棕樹的木質(zhì)纖維素包括枝干，葉子，果皮以及分離出油棕果后剩下的空果殼(empty fruit bunch，EFB)，其中EFB是棕櫚油生產(chǎn)工業(yè)中最主要的木質(zhì)纖維素廢料，EFB中含有比較高的葡聚糖(35-50％)和木聚糖(10-20％)。之前，EFB的處理方式是直接在原地自分解或者是燃燒處理產(chǎn)生粉末做肥料用，這不僅是對(duì)資源

2、的極大浪費(fèi)，也對(duì)環(huán)境造成了很大程度的污染。近些年來(lái)，由于EFB具有原料成本低廉，木質(zhì)纖維素含量較高，年產(chǎn)量大等特點(diǎn)，被很多學(xué)者認(rèn)為是生產(chǎn)生物乙醇的一種低成本可循環(huán)利用的原料。一些學(xué)者研究了堿法、氨堿法以及酸堿法結(jié)合等方法對(duì)EFB進(jìn)行預(yù)處理生產(chǎn)生物乙醇的可行性，但經(jīng)過(guò)這些方法預(yù)處理后EFB的轉(zhuǎn)化率都比較低?；谝陨媳尘?，本論文擬采用不同方法對(duì)EFB進(jìn)行預(yù)處理，希望找到一種能夠有效提高EFB纖維素酶解轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法，進(jìn)而通過(guò)發(fā)酵將其高效

3、率轉(zhuǎn)化成乙醇，并對(duì)其預(yù)處理機(jī)制進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)EFB生物精煉的工藝進(jìn)行探討。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.EFB預(yù)處理、糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇及亞硫酸鹽法預(yù)處理廢液再利用的初步探索
　　對(duì)原料EFB進(jìn)行了一系列化學(xué)法預(yù)處理，包括濕氧化法(WO)，氧堿法(OA)和亞硫酸鹽法預(yù)處理，通過(guò)對(duì)預(yù)處理后的固形物進(jìn)行低底物濃度(2％)條件下酶解性能的比較，證明亞硫酸鹽法預(yù)處理EFB的效果最好，且最佳的預(yù)處理?xiàng)l件為:NaHSO3用量

4、8％，H2SO4用量1％，反應(yīng)溫度180℃，反應(yīng)時(shí)間30 min，固液比1∶4，在此反應(yīng)條件下，以預(yù)處理前絕干原料為基準(zhǔn)計(jì)算，纖維素酶解72 h時(shí)葡萄糖得率為0.318 g/g EFB。在最佳亞硫酸鹽預(yù)處理?xiàng)l件預(yù)處理后，利用得到的EFB不溶性固形物進(jìn)行高濃半同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，發(fā)現(xiàn)18％的底物濃度為最佳反應(yīng)濃度，在此底物濃度下發(fā)酵160 h，乙醇濃度達(dá)到52g/L，乙醇產(chǎn)率為0.325g/L/h，為理論產(chǎn)量值的95％。
　　基于

5、生物精煉方面考慮，進(jìn)一步探討了利用亞硫酸鹽預(yù)處理廢液生產(chǎn)有價(jià)值產(chǎn)品的可行性，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)價(jià)值的最大化。首先探索了直接利用亞硫酸鹽預(yù)處理液制備糠醛的可能性，優(yōu)化出制備糠醛的最佳反應(yīng)條件為:H2SO4用量0.75％，反應(yīng)溫度180℃，反應(yīng)時(shí)間25 min。反應(yīng)后，糠醛的濃度達(dá)到18.8 g/L，轉(zhuǎn)化率達(dá)到82.5％。其次，通過(guò)不同的方法對(duì)預(yù)處理液進(jìn)行處理和分離，發(fā)現(xiàn)選擇大孔吸附樹脂DM130，基本達(dá)到了將糖組分與木素磺酸鹽組分有效分離的要求

6、，為后續(xù)進(jìn)一步分別生產(chǎn)糖和木素產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。
　　2.亞硫酸鹽預(yù)處理后EFB的組成和結(jié)構(gòu)變化分析
　　采用X-射線衍射，掃描電子顯微鏡(SEM)，紅外光譜(FT-IR)和比表面積測(cè)定等一系列分析檢測(cè)手段，分析和比較了預(yù)處理前后原料EFB在纖維素結(jié)晶度，外比表面積，內(nèi)比表面積以及功能基團(tuán)等方面的變化。
　　結(jié)果表明，亞硫酸鹽預(yù)處理之后纖維素結(jié)晶度從62.3％提高到74.4％，氫鍵強(qiáng)度從4.75下降到3.24。SEM結(jié)果

7、顯示，亞硫酸鹽預(yù)處理之后EFB表面受到嚴(yán)重的破壞，有明顯的裂痕孔洞的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)也變得疏松，而且有細(xì)小纖維的產(chǎn)生。亞硫酸鹽預(yù)處理之后原料的BET比表面積(從0.99增加到1.18)、累計(jì)孔體積和平均孔直徑都有所增加。同時(shí)，物料大于50 nm大孔的孔體積在亞硫酸鹽預(yù)處理之后比原料有很大程度的增加。分別對(duì)亞硫酸鹽法、氧堿法和稀酸法預(yù)處理后上述指標(biāo)的變化進(jìn)行了比較分析，以進(jìn)一步說(shuō)明亞硫酸鹽法在EFB預(yù)處理過(guò)程中的不同反應(yīng)機(jī)制。
　　3.亞

8、硫酸鹽預(yù)處理前后EFB微觀結(jié)構(gòu)變化及纖維素酶酶解過(guò)程中細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)交化規(guī)律研究
　　通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡的觀察分析，發(fā)現(xiàn)原料EFB主要是由厚壁細(xì)胞、薄壁細(xì)胞、導(dǎo)管和表皮細(xì)胞等組成。亞硫酸鹽預(yù)處理后EFB的整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，由于藥液的滲透和作用使得厚壁細(xì)胞之間發(fā)生脫離，部分細(xì)胞壁遭到破壞，甚至發(fā)生斷裂。研究發(fā)現(xiàn)，亞硫酸鹽預(yù)處理之后，EFB的纖維變短，寬度稍有減小，細(xì)小纖維含量大幅增

9、加。
　　對(duì)亞硫酸鹽預(yù)處理后EFB細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)在纖維素酶酶解過(guò)程中的變化規(guī)律進(jìn)行了初步研究，觀察結(jié)果表明EFB在酶解1h之后大部分細(xì)胞壁就開始降解，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞壁的降解加重，在酶解反應(yīng)5h之后基本達(dá)到最大值，大部分的細(xì)胞壁發(fā)生降解，再增加反應(yīng)時(shí)間并沒(méi)有明顯的降解發(fā)生。
　　4.亞硫酸鹽預(yù)處理對(duì)EFB半纖維素和木素性質(zhì)的影響研究
　　為了進(jìn)一步研究亞硫酸鹽預(yù)處理過(guò)程中對(duì)EFB的作用，從亞硫酸鹽預(yù)處理前后的樣品中提純

10、半纖維素和磨木木素（milled wood lignin，MWL），通過(guò)一系列的分析手段，分析亞硫酸鹽預(yù)處理前后半纖維素和MWL發(fā)生的變化。結(jié)果顯示，EFB的半纖維素組分是以木聚糖為主鏈的，在預(yù)處理之后有部分的烷基暴露出來(lái)，以及半纖維素中形成一部分酯鍵。在亞硫酸鹽預(yù)處理過(guò)程中原料中木質(zhì)素發(fā)生的反應(yīng)有:脫除木質(zhì)素的過(guò)程中苯基丙烷和羥基丙烷（Cα和Cγ）酯化反應(yīng)的發(fā)生;紫丁香基，縮合型愈創(chuàng)木基等基團(tuán)的降解或者溶出;甲氧基的去除等。