水稻秸秆预处理与不同糖化工艺研究

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木质纤维素是植物的重要组成部分,主要由纤维素、半纤维素、木质素组成,其中纤维素是葡萄糖分子的聚合物,在植物中平均占比接近50%左右,拥有巨大的潜在价值。但是纤维素作为植物的骨架组织,有着较强的抗降解屏障,在自然状态下,动物和微生物很难高效的将其中的庞大的质能释放出来。本研究以木质纤维结构典型的水稻秸秆为对象,对其预处理和糖化工艺进行了相关研究,主要结果如下:(1)结合已有的相关研究和预处理的未来趋势,确定了以中温常压下不减小生物质粒径的预处理目标思路,通过实验发现NaOH能有效地打破水稻结构,更利于纤维素酶的酶解糖化。以预处理后的秸秆保留量、预处理秸秆产糖量、初始秸秆比产糖量为预处理评价方法。通过单因素和响应面实验,得到了较优预处理工艺:将水稻秸秆置于在1.3%(w/v)浓度的NaOH溶液中,50℃浸泡下30 h,然后将其水洗至中性,待用。同时对预处理后的水稻秸秆进行了电镜扫描、红外光谱分析及微生物培养实验,均表明预处理改变了水稻秸秆中的某些关键结构,使其能被纤维素酶水解和微生物利用。(2)通过对产酶能力和对水稻秸秆的降解能力的比较,选择以里氏木霉为水稻秸秆的糖化研究菌株。通过响应面优化得到了以水稻秸秆为碳源的里氏木霉产酶培养基:水稻秸秆15 g、(NH4)2SO42 g、KH2PO43 g、Mg SO4·7H2O 0.5 g、吐温-80 0.5 mL、FeSO4·7H2O0.005 g、微量元素液10 mL、H2O 1000 mL。该培养基下菌株的FPA酶活由0.401 IU/mL提高到0.612 IU/mL,提高了52.6%。并对发酵产酶条件进行了优化,其结果为:发酵温度29℃,初始pH 6、接种量5%、转速150 rmp、发酵时间8 d,此条件下酶活为1.121 IU/mL,在0.612 IU/mL的基础上提高了83.2%。以发酵产酶所得粗酶液直接对预处理后的水稻秸秆进行酶解糖化,其比产糖量在0.160-0.190 g/g之间。(3)研究发现里氏木霉最优的发酵产酶条件和酶解条件存在差异,可以通过原位酶解的方式将二者整合,进一步提高水稻秸秆的糖化率。对液态发酵原位酶解糖化工艺进行了探索优化后,得到较优的工艺条件:30 g水稻秸秆/L发酵液;发酵条件为:发酵温度30℃,初始pH 6.5,发酵时间48 h;酶解条件为:酶解pH4.8,酶解温度50℃,酶解时间24 h,最终的比产糖量为0.350 g/g。(4)基于液态原位酶解糖化工艺水稻秸秆液载量低的不足,在此基础上进一步开发了固态原位酶解糖化工艺。秸秆粉:麸皮4:1、水分含量60%,水分初始pH 5.0,发酵温度28℃,发酵时间48 h,酶解水分pH 5.0,酶解温度50℃,酶解时间24 h,酶解水分10-50mL(每15 g发酵物),最终的比产糖量在0.320-0.360 g/g之间。(5)将粗酶液直接糖化、液态原位酶解糖化、固态原位酶解糖化三种糖化方式进行了统一比较,发现先产粗酶液再将其用于直接糖化,其比产糖量在0.160-0.196 g/g之间,液态原位酶解糖化的比产糖量在0.320-0.350 g/g之间,固态原位酶解糖化工艺的比产糖量在0.320-0.360 g/g之间。由于原位酶解工艺发酵时间短,在此基础上再添加少量粗酶液可以进一步提升糖化率,可以将比产糖量提升至0.400-0.420 g/g之间。
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