化工 外文翻译

毕业设计(论文)外文资料翻译 学 院 ： 机械工程学院 专 业 班 级 ： 机械设计制造及其自动化 G 机械 132 学 生 姓 名 ： 孙 铷 学 号： 2013150075 指 导 教 师 ： 訾克明(副教授) 外 文 出 处 ： Biotechnology Reports 3(2014)99-107 附 件 ： 1.外文资料翻译译文； 2.外文原 文 指导教师评语： 签名： 年 月 日 在双螺杆挤出机中酶法水解预处理后的玉米穗轴蒸汽爆炸 残留物 Jun Zhenga ,Kim Chooa,b ,Chris Bradtc ,Rick Lehouxc ,Lars Rehmanna, * A 化学工程与生物工程系，西安大略大学，里士满 1151 街，伦敦，在 N6A 3K7。 B 加拿大莱姆顿学院，1457 街，伦敦路，在 N7S 6K4。 摘要 将结合有过滤装置的改进的双螺杆挤出机用作液体/固体分离器，用于从蒸 汽爆炸玉米芯中除去木糖。面心为中心的复合设计用于研究各种酶水解过程变 量（酶负载，表面活性剂添加和水解时间）与两种不同挤出的玉米芯（7木糖 去除，80木糖去除）对葡萄糖转化的组合效应。结果表明，挤出过程导致纤 维素结晶度的增加，而结构变化也可以通过 SEM 观察到。开发了用于预测葡萄 糖转化的二次多项式模型，并且拟合的模型提供了通过方差分析（ANOVA ） 验证的真实响应的充分近似。 简介 木质纤维素生物质向乙醇的生物转化被认为是石油基液体燃料的最重要的替 代品之一 14-15,17,29,35。木质纤维素生物质是高度丰富的，具有高能量潜力并且是 用于乙醇生产的低成本材料。典型来源是林产品，农业残余物，城市固体废物 和专用能源作物 18,31。 玉米芯，玉米籽粒生产的副产品，在欧洲的一些地区曾经用于动物饲料和 肥料，用于农业生产，而在美国，玉米芯目前被用作纤维素乙醇生产的潜在原 料，由于其低木质素和高碳水化合物含量。此外，玉米芯具有产生约 8000Btu / lb 的高热值（HHV）。平均玉米棒产量为谷粒产量的约 14，占玉米秸秆总产 量的约 16 4,22,32。 在可用于将木质纤维素生物质转化为合适的发酵底物的不同技术 25,33中， 纤维素的酶促转化似乎是获得高产率的可发酵糖的最有希望的方法8，因为它 是高度特异性的，不产生大量的不需要的副产物38。酶水解过程通常由纤维 素酶催化，并且该过程受到许多因素的影响，包括半纤维素和木质素的纤维素 纤维保护，纤维素结晶度，聚合度，半纤维素的乙酰化程度和生物质的可及表 面积28。半纤维素和木质素的存在使得纤维素酶难以进入纤维素，这将降低 水解效率。因此，纤维素生物质的结构必须在酶水解之前进行预处理，使得纤 维素更易于酶促转化 11,29。各种物理，化学，物理化学和生物预处理方法已经 被充分研究了从木质纤维素生物质的乙醇生产 16,35。预处理的目的主要是通过 溶解半纤维素或和木质素，以及通过降低聚合度和纤维素纤维结晶度来增加酶 对纤维素的可达性12 。此外，添加表面活性剂还提高了效率的纤维素水解 3,10。 为了提高酶水解速率，研究人员集中研究多种酶水解过程参数，包括底物 浓度和反应条件，如水解时间，pH，温度和添加表面活性剂 35。最佳参数高 度依赖于消化的生物质的物理化学结构，并且不同的预处理方法将产生显着不 同的生物质。可以使用双螺杆挤出机中的预处理（除了其它方面）以水解和去 除半纤维素级分 7,23-24。然而，还没有系统地表征通过挤出预处理的木糖去除以 及对玉米芯的酶水解的其它工艺参数的影响。在本研究中，分别使用具有 7 木糖去除和 80木糖去除的两个不同挤出的玉米棒作为酶水解的来源。通过 SEM 和 XRD 检查这两种材料的特性。使用面心中心复合设计来研究各种酶水 解过程变量（酶负载，表面活性剂添加和水解时间）与这两个挤出的玉米芯 （7木糖移除，80木糖移除）的组合效应。 2材料和方法 玉米芯的获得来自加拿大安大略省查塔姆的当地农民。将玉米芯清洁并研 磨至 0.5-1cm 3 的粒径，并将水分调节至 50干物质。然后将玉米棒进料到连续 蒸汽爆炸预处理反应器（GreenField Ethanol，Chatham）中。反应器设定在 205的温度。在用饱和蒸汽加压的系统中具有 pH 4.8。预处理期间玉米芯的总 保留时间为 5 分钟。在这些条件下半纤维素被水解成木糖或木寡糖。反应器的 压力迅速释放到大气压力，因此将加压的玉米棒闪蒸到旋风分离器中，这增加 了酶的纤维的可及表面积。收集具有 80水分含量的预处理的玉米棒并调节至 60 通过空气干燥以在挤出过程中进一步除去木糖。 所有其它化学品（例如乙酸，无水硫酸钠，四环素，环己酰亚胺，葡萄糖 和木糖）是分析级的，并购自 Sigma-Aldrich（USA ）。Cellic CTec 2 纤维素酶 获自 Novozyme（Canada）。 2.2 挤出过程中木糖的去除 使用 Leistritz 同向旋转双螺杆挤出机（ American Leistritz Extruder Corp，USA）进行实验。挤出机由 12 个每个 200mm 长的模块化的桶组成。使 用热感应对桶进行电加热，并通过水循环冷却。从控制面板监测桶温度，水流 速，进料流速和压力。通过重量分析进料器（Brabender Technology ，Canada ） 将材料以 4kg / h 供给到挤出机入口（图 1 中的料筒 0）中。 表 1 不同处理条件下玉米棒样品的碳水化合物组成（一式三份的平均值标准误差） 地面玉米(%) 蒸汽爆炸玉米(%) 挤压玉米和 80% 木糖 挤压玉米和 7%木糖 葡萄糖 41.30.75 55.41.61 65.51.50 58.11.52 木糖 29.01.25 22.81.29 7.40.10 19.41.00 阿拉伯 糖 4.20.18 2.40.07 1.50.07 2.30.06 半乳糖 1.50.1 0.60.05 0.20.03 0.60.03 甘露糖 0.40.03 0.30.03 0.30.03 0.20.02 通过容积泵（Milton Roy USA）将水注入到桶 8 中。将固/ 液分离器置于桶 9 中以收集主要含有溶解的木糖的滤液。两个压力传感器分别定位在桶 8 和 10 中，以检测过滤器两侧的压力。使用两种螺杆构型（图 1A 和 B）分别产生具 有 7和 80木糖清除的挤出玉米芯。通过将输送，捏合和反向螺杆元件放置 在不同的位置和间隔来构建这两个螺杆构型轮廓。输送螺杆元件用于材料输送， 并且它们的较小节距可压缩产品并在每个桶内实现高度填充。以不同角度取向 的捏合螺杆元件用于分解大的固体并混合生物质和水以实现均匀分布。此外， 在相反方向上承载材料的反向螺杆元件紧接在过滤器之前和之后放置。 图 1 用于实现 7（a）和 80（b）木糖去除的螺杆构型 召集元件：C1：GFA-2-30-30，C2：GFA-2-30-90，C3：GFA-2-40-60，C4：GFA-2- 40-90，揉捏元素：K1：KB2-15-30，K2：KB2-15-60，K3：KB2-15-90，K4：KB2- 15-30，Li GFA-2-XX-XX，G =同向旋转，F =输送，A =自由旋转，2 =螺纹数，第 一个 XX =螺距，第二个 XX =螺杆元件的长度。KB5-2-30-XX-Li：KB =捏合段，5 =捏合段数，2 =螺纹数，30 =捏合段长度，XX =各捏合段的扭转角，RE = Li =反 向元件，X2 =两个相同的元件 图 2 未处理和挤出的玉米棒的各种放大倍数的 SEM 图像 （A，B）未除去木糖的未处理的玉米棒，（C，D）具有 7木糖除去的挤出的玉米棒， （E，F）挤出的除去 80木糖的玉米棒 葡萄糖的浓度通过 Agilent 1260 Infinity 高效液相色谱（HPLC ）使用 MetaCarb H Plus Column 300。7.8mm（Agilent Technologies，USA），装备有 折射率检测器。在分析前，将水解的液体样品进行 50 稀释并通过 0.2m m 醋 酸纤维素膜（VWR International ，USA ）过滤。 柱温度保持在 60。 流速为 0.7ml / min（5mM H 2 SO 4）。通过比较水解产物中产生的葡萄糖的量与预处理 的生物质中存在的葡萄糖单体的总量来计算葡萄糖转化。 2.4 酶水解 从 Novozyme（Canada）获得的玉米棒的酶水解在具有 Cellic CTec 2 酶的 100ml 带螺纹盖的玻璃小瓶中进行。酶活性测量为 168.2FPU / ml。应用的酶负 荷从 1.8 至 7.2FPU / g DM 的挤出玉米芯（具有 80木糖去除）和 1.1 至 4.4FPU / g DM 的挤出玉米芯（具有 7木糖去除）变化。基于每个挤出的玉米 芯中的总纤维素量确定酶负载量。水解混合物由 12（w / v）干物质/缓冲液和 0.1M 柠檬酸钠缓冲液（pH5.0）组成，其补充有 40ml 四环素和 30ml 环己酰亚 胺以防止消化过程中的微生物污染。Tween 80（Sigma Aldrich，USA）用于这 些水解实验中以增强未处理和预处理的玉米芯的相鉴定。将样品研磨以通过 150mm 目筛，并且结晶度由 Rigaku（USA）使用 CoK 是辐射源。样品以 5 a 的速度扫描。（2u）/ min，在 545下连续运行。（2u）范围。 纤维素样品的结晶指数（CrI）通过基于以下关系6的 X 射线衍射图确定：maxinCrl10%l 其中 I max 表示纤维素 I 在 2u 约 26处的最大强度峰值。 I min 表示在 2u 约 19处非晶区（纤维素 II）的最小强度峰值。基于从 CuK 辐射源的布拉格定 律转换。 2.7 实验设计 选择具有四个因子的面心中心复合设计（FCCD ），以评价所选变量对反 应模式的影响，并确定酶负载（2-8），吐温 80 浓度（0 6）和水解时 间（24h-72h），使用具有不同木糖清除率（7和 80）的挤出玉米芯来使预 处理玉米芯的葡萄糖转化最大化。基于初步研究选择每个因子水平。来自完全 因子设计的初步结果显示出显着的曲率（数据未示出），因此选择中心复合设 计，特别是“面心”设计，因为只有两种类型的挤出生物质可用（7和 80 木糖去除）。选择水解产物中产生的葡萄糖总量与蒸汽爆炸玉米芯中总葡萄糖 理论量（在酸水解后分析）之比作为分析响应。使用软件 Design Expert，版本 （Stat Ease，Inc.USA）开发实验设计。得到的 22 个实验条件以及每种类 型的生物质的三个中心点重复测试一式三份，数据表示为一式三份的平均值， 标准偏差。所有实验完全随机化进行，并且数据通过线性回归拟合到二阶模型： 20111kkkii ijiyxxx 其中 y 是预测响应，x i 表示独立变量， k 是变量的数量， 0 是截取系数， i 表示每个独立变量的线性系数， ii 表示二次项的系数， ij 表示相互作用效应的 系数和 是随机误差。 进行方差分析（ANOVA），并且使用 F 检验基于 a = 0.05 的显着性确定每 个变量的显着性，相互作用和二次效应。通过 R 2，调整的 R 2，适当的准确度 和缺乏用于确定适当性的拟合系数来评价拟合的模型。此外，拟合模型通过使 用确定的显着变量的条件进行实验来验证1。 3结果与讨论 表 2 基于中心复合材料设计，在不同条件下从挤出的生物质中释放葡萄糖 试验 因素 响应 Emzyme 加 载(%wjw) 渐变 80 浓 度(%wjw) 不同的木糖 删除（%） 水解时间 （hr） 葡萄糖转换(%) 1 8 0 80 24 56.671.34 2 5 3 7 48 49.871.75 3 5 3 80 48 61.060.73 4 2 6 80 24 32.312.11 5 8 0 7 24 52.181.68 6 2 0 80 72 38.231.31 7 5 3 80 48 62.40.66 8 2 6 7 24 24.31.74 9 2 0 80 24 26.951.02 10 2 0 7 72 29.791.67 11 8 6 80 24 63.940.98 12 2 6 7 72 63.940.98 13 5 3 7 48 47.991.63 14 8 0 80 72 82.030.83 15 5 3 7 48 82.030.83 16 8 0 7 72 69.981.21 17 2 0 7 24 24.151.76 18 5 3 80 48 62.20.85 19 8 6 7 24 55.451.46 20 2 6 80 72 42.830.77 21 8 6 7 72 72.920.91 22 8 6 80 72 88.410.64 23 5 3 7 24 36.570.59 24 5 3 80 24 45.892.05 25 8 3 80 48 71.931.11 26 2 3 80 48 32.381.23 27 5 0 80 48 54.151.15 28 5 6 80 48 60.571.60 在酸水解后测量在蒸汽爆炸之前和之后以及在不同挤出机处理之后研究玉 米芯的碳水化合物组成 5,9,21。数据显示在表 1 中（基于总干物质）。相对葡萄 糖含量是单糖的最大部分，分别从 41增加到 66和 58，这取决于不同的 挤出工艺条件。在蒸汽爆炸预处理期间，半纤维素级分在高温和高压下大量水 解成木糖。通过在 65的机筒温度下的挤出工艺实现从蒸汽爆炸玉米芯中除 去 7的木糖。在不加水的情况下 100rpm 的螺杆转速，而当机筒温度升至 100时，实现 80的木糖除去。并且在桶 8 以 2.9kg / h 注入水。发现阿拉伯 糖，半乳糖和甘露糖在少量级分（ Fcrit）也证实了该结论。 3.2 酶水解 图 4 水解时间和酶负载对葡萄糖转化的组合效应的响应表面图 A：具有 7木糖移除的挤出玉米芯的恒定 Tween 80 浓度（3）， B：具有 80木糖移出的挤出玉米棒的恒定 Tween 80 浓度（3） 基于使用面心中心复合设计（FCCD ）的统计实验设计来选择酶水解的测 试条件。测试条件和所得葡萄糖转化率示于表 2 中。二次响应表面模型的结果 显示在表 3 中。模型的 F 值为 405.10，与临界值（ 2.80）相比非常高，表明该 模型是非常重要的。“Prob F”的值小于 0.0001，支持该模型是显着的。如果 它们的值 F）确定。P 值越小， 相应的系数越显着。在独立变量中，酶负载，水解时间，Tween 80 浓度和“具 有不同木糖清除的挤出玉米棒”对葡萄糖转化具有显着影响。酶负载和水解时 间的二次效应也对葡萄糖转化具有显着影响。调整的 R 2 为 0.99 证实了模型的 充分性，并且基于 P 值没有检测到显着的拟合缺乏。所有实验的信噪比大于 4，表示有足够的信号，其可以用于导航设计空间。 基于所选择的显著变量，回归分析产生以下二次模型，其是葡萄糖转化率 和测试变量之间的关于编码单位（1 至+1）的经验关系： 2212341344137.20YXXX 其中，Y 是葡萄糖转化率的平方根（）; X 1，X 2，X 3 和 X 4 分别是酶负 载量，Tween 80 浓度，水解时间和挤出的具有不同木糖清除率的玉米芯 （7，80）。 图 5 显示具有不同木糖清除的挤出玉米芯与水解时间 Tween 80 浓度对葡萄糖转化的相互作用的 2D 图。A ：恒定 Tween 80 浓度（3）， 酶负载为 5; B：恒定水解时间为 48 小时，酶负载为 5; 虚线：挤出的玉米芯，具有 7 木糖移除 ;实线： 80木糖去除。符号表示测量数据 3.2.1 变量对葡萄糖转化的综合影响 生成表面图以进一步说明相应参数的相互作用。 吐温 80 浓度和酶负载对 挤出玉米芯的酶水解的影响显示在图 3 中。对于挤出的具有 7木糖除去的玉 米芯，如图 1 所示。如图 4A 和 B 所示，当酶负载和水解时间变化时（ P = 0.05），在 Tween 80 存在下，葡萄糖转化没有显着影响。这表明木糖可能是限 制酶水解的主要因素。对于除去 80木糖的挤出玉米穗，吐温 80 的作用在 24 小时非常小（图 4C）。然而，当水解时间延长至 72 小时（图 4D）时，增加 Tween 80 浓度导致在高酶水平（P 0.05）下葡萄糖转化显着增加。 然而，随着水解时间的增加，预计会看到由于纤维素底物减少，潜在抑制 性末端和副产物增加以及一般酶失活而导致的水解速率的降低13;在低酶负载 下可能更明显。该图显示在高水平的 Tween 80 浓度存在下获得较高的水解产率。 例如，当酶负载为 2时，葡萄糖转化率的差异从 36变为 42，当酶负载 下 Tween 80 浓度增加至 6时，从 80至 88获得较高的差异的 8。此外， 表面活性剂还可以通过吸收到木质素的表面中来防止纤维素酶与木质素的非生 产性结合。这使得更具活性的酶仅与纤维素反应以改善葡萄糖转化率10。 表 4 操作条件和确认实验的预测和测量响应 试验 酶加载 (%) 渐变 80 浓度(%) 不同木糖清 除量(%) 水解时 间(h) 预测葡萄 糖转换 测量葡萄糖 转换 误差 1 8 6 80 72 87.66 90.010.69 2.61 2 5 3 7 48 47.61 48.561.85 1.96 3 7.2 5.9 80 72 83.55 85.110.90 1.83 4 4 2 7 60 42.94 43.701.25 1.74 5 5 3 80 48 58.37 59.651.04 2.15 6 2 3 7 72 28.59 29.452.09 2.92 固定 Tween 80 浓度（3）下酶负载量和水解时间的联合效应显示在图 1 中。从图 5 可以看出。如图 5A 所示，当酶负载量为 2时，葡萄糖的转化率从 22增加至具有 7木糖去除的挤出玉米芯，但当将水解时间从 24 增加至 72 时，在 8酶负载时，葡萄糖从 51增加至 68 H。还观察到水解时间对具有 80木糖去除的挤出玉米芯的葡萄糖转化的影响（图 5B）。当酶负载为 2时， 在水解 24 小时时葡萄糖转化仅为 28。当酶负载从 2增加到 8时，增加纤 维素酶的量显着改善葡萄糖转化为 59。酶在纤维素表面上拥挤，在实验条件 下没有观察到在增加酶浓度时可导致较低水解速率的效应37。在 2酶负载下 水解时间从 24 小时增加到 72 小时仅导致轻微的。 在 2酶负载下水解时间从 24 小时增加到 72 小时仅导致葡萄糖转化率的 轻微增加。这可能是由于没有足够的纤维素酶达到反应混合物中一定量的纤维 素水解的吸附饱和。酶负载的进一步增加将减缓由于混合物溶液中更多未使用 的纤维素酶导致的葡萄糖转化。因此，如所预期的，葡萄糖转化可以在更高的 酶负载下随着更长的水解时间而增加。 木糖去除的效果（指定为分类参数）可以在二维图中显现，如图 1 所示， 图 4 和 5 已经显示高的木糖去除清楚地导致增强的酶消化率。图 6 通过显示对 于两种类型的生物质分别作为水解时间和 Tween 80 表面活性剂浓度的函数的葡 萄糖转化的模型结果，而其余变量在它们的中心点来突出显示。这些发现与几 个研究一致，表明如果高百分比的半纤维素被去除可以促进通过酶水解的纤维 素转化 19,30,39。 3.2.2 模型验证 为了确认从实验数据获得的二阶多项式回归模型的有效性和适用性，进行 如表 4 所列的六个确认运行以比较预测值和测量值之间的差异。表 4 中的结果 显示该差值低于 3。如图 4 所示的预测值与测量值的曲线图。图 7 还验证了 建议的模型的总体良好拟合，表明所提出的模型可以是表达响应和显着变量之 间的实际关系以预测葡萄糖转化的有用和准确的模型。 图 6 葡萄糖转换的预测值与测量值 4结论 双螺杆挤出机可用作木质纤维素生物质的预处理方法以产生具有不同木糖 含量的材料。可以基于所采用的螺杆构型来控制木糖含量，如对于脱墨玉米芯 所证明的。挤出过程进一步导致纤维素结晶度的增加，同时通过 SEM 观察到结 构变化。残留木糖（通过挤出过程 7和 80去除），酶负载，表面活性剂添 加和水解时间对酶水解的影响可以用二阶多项式模型描述，基于通过面心为中 心的复合物产生的数据设计。所有独立变量和酶加载和水解时间，水解时间和 木糖含量，Tween 80 浓度和木糖含量，酶负载的二次项以及水解时间的二次项 对酶水解有显着影响的相互作用影响。 5 致谢 作者想要推荐 GreenField 特种醇公司（加拿大 Chatham），加拿大商业化 和研究卓越中心（CECR ），加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC ）和 加拿大创新金融基金会（CFI）支持。 6 参考文献 1 A.M. 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