（化学工程专业论文）表面活性剂对生物催化木质纤维素影响及机制的研究.pdf

中文摘要 面临石油资源的渐趋枯竭，开发新能源成为一项紧迫的任务；面对世界人口 的继续膨胀和粮食短缺，用粮食生产乙醇必将受到限制。纤维素类资源来源丰富、 品种多、再生时间短，以农作物秸秆为代表的纤维类生物质生产燃料乙醇，被认 为是未来解决燃料乙醇原料成本高、原料有限的根本出路，具有良好的发展前景。 木质纤维素结构复杂，木质素与半纤维素的包裹作用、纤维素聚集态结构的 复杂性以及具有的高结晶度使得纤维素对试剂的可及度低，溶解困难，这直接影 响酶与底物的接触，从而影响酶催化水解的糖化率。因此，要充分利用纤维素类 资源必须先对其进行有效的预处理。木质纤维素经过预处理后，半纤维素溶解分 离，木质素部分裸露，大量的酶吸附到木质素表面，这对酶催化水解纤维素的过 程非常不利，所以降低木质素对酶的无效吸附也是很重要的。 本论文以生物酶催化降解木质纤维素为核心，研究了超声波协同碱预处理技 术及表面活性剂协同酶催化技术，对相关技术参数及影响因素进行分析探讨。 本论文在预处理技术研究中主要考察了超声波协同碱复合预处理技术，通过 分析，超声波协同碱预处理技术能够有效脱除原料中的木质素，使结晶纤维素的 晶格有序化程度降低；纤维素酶催化超声协同碱预处理后的原料反应4 8 h 的糖化 率为3 1 4 6 。 非离子型表面活性剂能够提高酶催化水解速率，降低酶在固体表面的吸附。 本论文将表面活性剂聚乙二醇( p e g 2 0 0 0 ，p e g 4 0 0 0 ，p e g 2 0 0 0 0 ) 应用于复合 酶催化水解木质纤维素过程，主要考察p e g 4 0 0 0 的浓度及不同温度下p e g 4 0 0 0 对酶催化水解与吸附的影响。酶催化反应的最适条件为：水解温度为5 0 、p h 值为5 5 、摇床转速为1 2 0 r p m 、水解时间为4 8 h 、复合酶制剂用量为1 5 、固水 比为1 ：3 0 、表面活性剂( p e g 4 0 0 0 ) 与酶催化水解原料的质量比为o 0 2 5 9 儋。三种 表面活性剂的添加均可以提高酶的催化效率，表面活性剂p e g 4 0 0 0 在较高温度 作用下，酶的催化效率提高了5 1 0 6 ，纤维素酶的吸附量降低了1 1 2 5 。 本文还对p e g 对酶催化作用机制进行了初步探讨，p e g 通过氢键作用和疏水 作用吸附于木质素表面，阻止酶与木质素的非特异性捆绑，从而降低酶的非特异 性吸附。 关键词：表面活性剂；聚乙二醇：木质纤维素；生物催化；纤维素酶 a b s t r a c t f a c i n gt h ee x h a u s t i o no fp e 仃0 1 e u mr e s o u r c e s ，i tb e c o m e sac r u c l a l t a s kt o d e v e l o pn e we n e 曙y ；n l c i n gt h er a p i de x p a n s i o no ft h ep o p u l a t i o n a n dt h ef 0 0 d s h o n a g ei nt h ew o r l d ，p r o d u c i n gf u e l e t h a n o lw i t h 伊a i nw i l lb er e s t r i c t e d t h e c e l l u l o s er e s o u r c e sh a v ea d v a n t a g e ss u c ha sr i c hr e s o u r c e ，m a n ) v a r i e t l e sa n ds h o r t r e g e n e r a t i o nt i m e p r o d u c i n gf u e le t h a n o lw i t ha g “c u l t u r a ls t r a wi sc o n s i d e r e da st h e f u n d a m e n t a lw a yo fs o l v i n gt h eh i 曲c o s ta n dt h el i m i t e do fr a wm a t e r i a l s t h i s t e c h n o l o g yi so fag o o dd e v e l o p i n gf u t u r e t h el i g n o c e l l u l o s ei sc o m p l e xi n s t 【u c t u r e t h ep a c k a g eo fl i g n i na n d h e m i c e l l u l o s e ，t h ec o m p l e x i t ) ro fa g g r e g a t i o ns t r u c t u r eo fc e l l u l o s ea n d t h eh i g h c “s t a l i i n i t 、，o fc e l l u l o s ec a u s et h ei o wa c c e s s i b i l i t yo f c e l l u l o s et or e a g e n ta n dt h el o w d i s s o l u t i o no fc e l l u l o s e t h e s ea h e c tt h ec o n t a c to fe n z y m ea n ds u b s t r a t ed i r e c t l y ，a n d t h e na f r e c tt h es a c c h a r i 6 c a t i o nr a t eo fe n z y m a t i cc a t a l y s i sh y d r o l y s i s t h e r e f o r e ，i f d e o p l ew a n tt om a k ef u l l u s eo fc e l i u l o s er e s o u r c e s ，t h e ym u s tc a r 拶o nt h ee n e c t l v e p r e t r e a t m e n t f i r s t a 1 f t e r p r e t r e a t m e n t o f l i g n o c e l l u l o s e ， t h eh e m i c e l l u l o s ei s d i s s o l o v e da n ds e p a r a t e d ，t h el i g n i ne x p o s e sp a r t i a u y ，al o to fe n z y m ea d s o r b e so nt h e s u r f a c eo fl i g n i n ，i ti sv e 拶u n f a v o r a b l et ot h ep r o c e s so fe n z y m eh y d r 0 1 ) z l n g c e l l u l o s e ，s oi ti sv e 巧i m p o n a n tt od e c r e a s et h ei n e f r e c t i v ea d s p r p t i o no fe n z y m e t h ed e g r a d a “o no fb i o l o g i c a le n z y m et ol i g n o c e l l u l o s ei st h ec o r eo f t h ep a p e r ， t h eu l t r a s o n i ca s s i s t e da l k a l ip r e t r e a t m e n tt e c h n i q u ea n d t h es u r f a c t a n ta s s l s t e d e m w m e c a 协l y s i st e c h n i q u ew e r e s t u d i e di nt h i s p a p e r ， m o r e o v e r ， t h er e l a t e d t e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n dt h ei n n u e n c i n gf a c t o r sw e r ed i s c u s s e d t h ec o m p o u n dt e c h n i q u eo fu l t r a s o n i ca s s i s t e da l k a l ip r e t r e a t m e n tw a sm a l n l y s t u d i e di nt h i sp a p e r t h r o u g ha n a l y s i s ，i tc a nb es e e nt h a tt h el i g n i ni nt h em a t e r i a l c o u l db ee f r e c t i v e l yr e m o v e dt h r o u 曲t h eu l t r a s o n i ca s s i s t e da l k a l ip r e t r e a t m e n t ，a n d t h eo r d e rl a t t i c ed e g r e eo fc r y s t a l l i n ec e l l u l o s ew a sd e c r e a s e d ；t h em a t e r i a lt r e a t e d w i t hu l t r a s o n i ca s s i s t e da l k a l iw a sc a t a l y z e db yc e l l u l o s ef o r4 8 h ，t h es a c c h a r 湎c a t i o n r a t ea t t a i n e d3 1 4 6 n o n i o n i cs u r f a c t a n tc a ni n c r e a s et h eh y d r o l y s i s r a t eo fe n z y m ec a t a i y s i sa n d d e c r e a s et h ea d s o r p t i o no fe n z y m eo nt h es o l i ds u r f 沁e ，s u 渤c t a l l t - p o l y e t h y l e n e 9 1 v c o l ( p e g 2 0 0 0 ，p e g 4 0 0 0 ，p e g 2 0 0 0 0 ) w a sa p p l i e d i nt h ep r o c e s so ft h ec o m p o u n d e n z y m ec a 协l y z i n gt h el i g n o c e l l u l o s em a t e r i a l s ，t h e e 侬c to ft h ec o n c e n t r a t i o no f p e g 4 0 0 0a n dd i 骶r e n t t e m p e r a t u r e s 0 nt h ee n z y m e - c a t a l y z e d h y d r o l y s i s a n d a d s o r p t i o nw a sm a i n l yi n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so f t h ee n z y m e 。c a t a l y z e d h y d r o l y s i s ：t h eh y d r o l y s i st e m p e r a t u r ew a s5 0 ，t h ep hv a l u e w a s5 5 ，t h es h a k i n g s p e e dw a s12 0 叩m ，t h er e a c t i o nt i m ew a s4 8 h ，t h ed o s a g eo ft h ec o m p o u n de n z y m e p r e p a r a t i o nw a s1 5 ，t h er a t i oo fs o l i dt ow a t e rw a sl ：3 0 ，t h em a s sr a t i oo fs u r f 她咖t ( p e g 4 0 0 0 ) t ot h ee n z y m e c a t a l y z e dh y d r o l y s i sm a t e r i a lw a s0 0 2 5 g t h ee n z y m e c a t a l v s i se f 秆c i e n c yc o u l db ei n c r e a s e db yp e g 2 0 0 0 ，p e g 4 0 0 0a n dp e g 2 0 0 0 0 ，t h e e n z y m ec a t a l y s i se f n c i e n c yi m p r o v e db y51 0 6 w i t hp e g 4 0 0 0a tc o m p a r a t i v e l y h i g ht e m p e r a t u r e ，t h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yo fc e l l u l a s ew a sd e c r e a s e db y11 2 5 t h em e c h a n i s mo fp e gt oe n z y m ec a t a l y s i sw a sa l s od i s c u s s e d ，p e ga d s o r b e d o nt h es u l f a c eo fl i g n i nt h r o u g hh y d r o g e nb o n di n t e r a c t i o na n dh y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n ，p r e v e n t i n gt h en o n - s p e c i f i cb i n d i n go fe n z y m ea n dl i g n i n ，t h u s t h e n o n s p e c i f i ca d s o r p t i o nw a sd e c r e a s e d k e yw o r d s ： s u r f a c t a n t ；p o i y e t h y l e n eg l y c 0 1 ；l i g n o c e l l u l o s e ；b i o l o g i c a l c a t a l y s i s ；c e l l u l a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：位红 签字日期： 2 1 ) 留年彳月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：臂二纽 导师签名： 签字r 期：2 0 0 3 年占月 日 签字日期： 日 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬际尬 1 1 燃料乙醇的研究背景 1 1 1 能源问题和粮食危机 2 0 世纪7 0 年代的石油危机引发了人们对生物燃料代替石油的研究，美国和巴 西用玉米和甘蔗生产燃料乙醇获得成功；到世纪交替之际，随着化石能源的渐趋 枯竭，以及减排温室气体保护环境的需要，发展生物质能源成为各国的重要发展 战略，已成为解决能源安全的必然选择【1 j 。 粮食是人类赖以生存的重要资源，面对世界和我国人口的继续膨胀和总体上 的粮食短缺，用粮食生产乙醇的发展规模必将受到限制【2 】。我国相关政策规定， 目前作为绝对主流的粮食生产燃料乙醇产量，在2 0 2 0 年之前被限制在1 5 0 万千升 以下，只占到那时燃料乙醇规划总产量的很少一部分。近年来以农作物秸秆为代 表的各类纤维类生物质生产燃料乙醇技术，被专家们认为是未来解决燃料乙醇原 料成本高、原料有限的根本出路，并被认为具有良好的发展前景。 1 1 2 木质纤维素资源的开发利用 纤维素是地球上资源量比较丰富的可再生资源之一，每年仅陆生植物就可以 产生纤维素约5 0 0 亿吨；纤维素还是比较主要的生物质资源，占地球生物质资源 总量的6 0 8 0 。我国的纤维素资源丰富，仅农作物秸秆、皮壳一项，每年产 量就达7 亿多吨，其中玉米秸( 3 5 ) 、小麦秸( 2 l ) 和稻草( 1 9 ) 是我国的三大秸秆 资源，林业副产品、城市垃圾和工业废物数量也相当可观。纤维素类资源具有来 源丰富、品种多、再生时间短等优点。与利用玉米等农作物提取乙醇的传统方法 相比，纤维乙醇燃料则是以稻草和木屑等纤维类物质为原料，在燃烧时产生的能 量要大大高于生产时耗费的能量。据悉，纤维乙醇燃料燃烧时排放的温室气体不 仅比汽油减少9 0 ，而且远低于谷物类乙醇燃料。因此，以纤维素降解发酵生产 乙醇具有潜在的发展前景【3 】。 1 1 3 国内外燃料乙醇的研究及生产现状 近年来，世界各国对燃料乙醇转化技术的研究都投入了大量的人力和物力， 第一章文献综述 据有关数据统计，巴西的燃料乙醇产量在2 0 0 3 年超过了l2 0 0 万m 3 l4 | 。美国从上世 纪9 0 年代初，开始利用该国过剩的玉米为原料生产燃料乙醇，到2 0 0 3 年产量已超 过6 0 0 万m 3 。与此同时，欧洲的瑞典和法国亦以小麦和甜萝卜为原料生产燃料乙醇， 作为含氧添加剂加入汽油和柴油中应用。日本作为世界石油进口大国，也积极投 入利用本国资源开发乙醇燃料的研究，但受国内粮食生产不足的限制，故着重研 究以纤维素为主的生物质废弃物为原料生产燃料乙醇的技术。 与美国等国家相比，我国的燃料乙醇生产只是在近几年才受到政府高度重 视，起步较晚。但是近年来，我国在纤维素研发燃料乙醇工作中取得了很大进展。 2 0 0 6 年9 月，河南天冠年产3 0 0 0 t 的纤维乙醇项目在河南镇平县奠基，天冠称这是 国内首条千吨级纤维乙醇产业化试验生产线。几乎同时，山东泽生生物科技公司 宣布他们首创秸秆无污染爆破技术，并在固态菌种发酵方面做出突破，将建成年 产3 0 0 0 t 的纤维素乙醇示范工程。相关政策规定，目前作为绝对主流的粮食生产燃 料乙醇产量，在2 0 2 0 年之前被限制在1 5 0 万千升以下，只占到那时燃料乙醇规划总 产量的很小一部分。 1 2 木质纤维素及其预处理糖化过程研究现状 1 2 1 天然木质纤维素 木质纤维素资源丰富。木质纤维素构成了植物的细胞壁，对细胞起着保护作 用。它主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成1 5 刁j ，约占生物质干重的 7 0 7 5 。植物每年通过光合作用能产生高达1 1 6 4 1 0 t 木质纤维素类物质，其 中纤维素、半纤维素的总量为8 5 0 亿t ，是生产乙醇比较丰富的资源。 木质纤维素的结构较复杂，细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成 网络结构，纤维素镶嵌其中。木质纤维素的结构示意图如图1 1 所示。 纤维素是由d 一葡萄糖通过伊l ，4 糖苷键结合起来的链状高分子化合物。根据 聚合度的不同可以分为a 纤维素和伊纤维素；根据聚集状态，即纤维素的超分子 结构，可分为结晶区和无定型区。天然丝状纤维素相邻分子通过葡萄糖基2 、3 、 6 位上的羟基形成氢键相互结合形成纤丝，并在一定空间内形成结晶区域。结晶 区域的紧密结构在纤维素降解过程中成为主要阻力。 半纤维素在结构和组成上变化很大，一般由较短高度分枝的杂多糖链组成。 组成半纤维素的结构单元主要有：木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖，半乳糖等。 各种糖所占比例随原料而变化，一般木糖占一半以上。半纤维素排列松散，无晶体 结构，故比较容易被稀酸水解成单糖。 第一章文献综述 h 3 c o l i g n i nh e m i c e u l l l o s e 蓬厶一一： 霹 卫 一 垂 广一 二移 一 皤 一 i j卜c e l l u l j 曩 r ? 、 j r s t r u c t u r ep r o t e i n 图1 1 木质纤维素结构示意图 f i g 1 - 1s 仃u c t u r eo fl i g n o c e l l u l o s e h 3 c o o ho h 图l 一2 木质素部分分子结构 f i g 1 2p a no fm o l e c u l a rs t m c t u r eo f l i g n 协 3 o c h 3 第一章文献综述 木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳碳键连接而成的高分子化合物。木质素 不能水解为单糖，在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。木质素中氧含量低， 碳含量较高，其能量密度( 2 7 m j 瓜g ) 较高，水解中留下的木质素残渣可作为燃料。 1 2 2 纤维素酶 纤维素酶是把纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖的一组复杂酶系的总称，又称 纤维素酶系【8 9 】。纤维素酶是由约5 6 i 球状的催化( 水解) 活力的核心蛋白催化区 域( c d 或c p ) 、连接区( 1 i n k e r ) 和没有催化作用但具有纤维素吸附能力的纤维素结 合区域( c b d ) 3 部分组成，即一个催化活性的头部( c d ) 和楔形的尾部( c b d ) 组成的 蝌蚪状分子。如图1 3 所示。 纤维素酶是一个多酶体系，包括外切伊l ，4 葡聚糖酶( c e l l o b i o h y d r o l a s e ， c b h ) 、内切伊1 ，4 葡聚糖酶( e n d o g l u c a n a s e ，e g ) 和伊l ，4 葡聚糖苷酶 ( 伊g l y c o s i d a s e ，b g ) 。纤维素酶水解纤维素需要这三种酶的协同作用，而且各 种酶之间的比例也要协调【l l 1 2 】。目前认为纤维素酶水解纤维素的协同作用为： e g ( c ) 酶随机水解切断无定形区的纤维素分子链，使结晶纤维素出现更多的纤维 素分子端基，为c b h ( c x ) 酶水解纤维素创造了条件。c b h 酶与e g 酶作用得水 解产物纤维二糖，由b g 酶水解成葡萄糖，因而纤维素酶水解结晶纤维素的过程 可以简单表示为：e g c b h _ b g ，如图1 4 i | 3j 所示。 n - g i y c a t a l y t i ca r e ac d h i n g e c e l l u l o s eb i n d i n ga r e ac b d 图1 3 酶的蝌蚪状分子模型1 0 】 f i g 1 - 3m o l e c u l a rm o d e i si nt h es h a p eo fat a d p o l eo fe n z y m e 第一章文献综述 c 咖l l i n e 吲。n 、 一一多、a m o 印h o u s r e g i o n e g 气= = = = = = = = = = = = = = 三立9 留芍专宅= = = _ i p l ，4e n d o g l u c 卸a s e ( e g s ) 三兰兰兰兰黧濂基 一，曩ri 。 j p l ，4c e l l o b i o h y d r o l a s e ( c b h s ) g l u c o s e 图l - 4 纤维素酶各组分的协同作用 f i g 1 _ 4s ”e 唱i s t i ce 仟e c to f r e s p e c t i v ec o m p o n e n t so f c e l l u l a s e 1 2 3 木质纤维素预处理技术 1 2 3 1 现有预处理技术及存在问题 天然植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，结构非常复杂。 由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素自身的晶体结构，使得木 质纤维形成致密不透水的高级结构，酶制剂很难与纤维素接触，直接影响接下来 的水解和发酵过程。如未经处理的秸秆原料在纤维素酶过量( 1 0 0 f p u g 底物) 的条 件下，直接进行纤维素酶水解，酶解率很低，而且糖的得率也都在理论得率的2 0 以下p j 。因此，要充分利用纤维素类资源必须先对其进行有效的预处理。 预处理的目的是改变天然纤维素的结构，破坏纤维素一木质素一半纤维素之 间的连接，降低纤维素的结晶度i l 引，脱去木质素，增加原料的疏松性以增加纤维 素酶系与纤维素的有效接触，从而提高酶效率。 预处理必须满足以下要求1 15 j ：( 1 ) 促进糖的形成，或提高后续酶水解形成 糖的能力；( 2 ) 避免糖的降解或损失；( 3 ) 避免形成副产物阻碍后续水解和发 酵过程；( 4 ) 节约成本。目前所用的纤维素原料的预处理方法主要有物理法、 第一章文献综述 化学法、物理化学结合法、生物法。 ( 1 ) 物理法：包括球磨、振动球磨、压缩球磨【1 6 】、碾磨【l7 1 、压缩碾磨、爆 破粉碎、冷冻粉碎、干法粉碎、湿法粉碎、膨化【1 8 】、蒸煮【1 9 】、热解、声波、电 子射线等，均可使纤维素粉化、软化，提高纤维素酶的水解转化率。但用此方法 处理纤维原料生产燃料乙醇存在障碍性问题，如在1 0 0 m r a d 电子辐射的处理下， 秸秆的糖化率才提高1 0 【2 0 】；预处理成本高，如采用球磨处理原料的成本约占糖 化总成本的5 0 一6 0 ，且设备成本高；条件苛刻，如爆破需要2 0 0 以上的高温【2 1 1 、 冷冻粉碎需要一1 0 0 的低温等。 ( 2 ) 化学法：包括无机酸( 硫酸【2 2 。2 4 1 、盐酸、乙酸等) 、碱( n a o h 、碱性 过氧化氢、氨水f 2 5 】等) 、臭氧、和有机溶剂【2 6 ，2 7 1 ( 甲醇、乙醇、丁醇、苯等) 等 方法。该法可使纤维素、半纤维素和木质素吸胀并破坏其结晶性，使木质纤维素 溶解并降解，从而增加其可消化性，但存在弊端【2 8 】：如无机酸、碱必须高浓度， 处理后纤维素和半纤维素损失大( 收率仅5 0 ) 【2 9 】，试剂回收、中和洗涤困难； 强酸和强碱对设备的要求较高，造成其成本增加；有机溶剂腐蚀性和毒性大，环 境污染严重；形成产物多种多样( 如纤维糊精、纤维二糖、葡萄糖、葡聚糖等) ， 产品收率低| 3 。这种原料预处理方式显然也同样制约生物质燃料乙醇的生产。 ( 3 ) 物理化学法：物理化学法包括蒸汽爆破法、氨纤维爆破法( a f e x ) 【3 1 1 、 c 0 2 爆破。蒸汽爆裂法优点是能耗低，可间歇也可以连续操作，无环保或回收费 用，但此法对木素分离不完全，产生对发酵微生物起抑制作用的水解产物，洗涤 爆破产物会导致整个多糖得率降低，投资成本较高等；氨纤维爆破法和c 0 2 爆破 均不会产生对微生物有抑制作用的物质，且木质素除去后大部分的半纤维素和纤 维素保留下来得以充分利用，但它们的投资成本较高。 ( 4 ) 生物法：生物法是利用微生物降解天然纤维素中的半纤维素和木质素 成。采用降解木质素的微生物如白腐真菌、褐腐真菌、软腐真菌和其他细菌等在 培养过程中产生分解木质素的酶类，从而可以专一降解木质素，提高纤维素和半 纤维素的酶解糖化率。它具有作用条件温和，专一性强，不存在环境污染，处理 成本低等优点。但是，目前存在木质素降解微生物种类少，木质素分解酶类的酶 活力低，作用周期长等需要进一步研究的关键技术问题。 综上所述，各种预处理方法各有缺陷，依靠单一技术或单一组分利用来实现 秸秆发酵制备燃料乙醇是难以成功的，必须针对现有技术存在的关键问题，充分 认识秸秆的生物性质，在研究方法和思路上进行新的重大改进，才能有所突破。 一般认为几种处理方法的综合应用效果较好，如化学法与物理法结合起来使用， 以达到比较理想的预处理效果。 第一章文献综述 1 2 3 2 超声波对高分子物质的降解作用 高分子超声降解反应是在超声化学条件下所生的高分子降解。超声波与其他 的机械波一样，借助于介质进行传播，并在介质中产生超声波的吸收现象，即超 声波将其一大部分能量传递给了它所通过的介质，在介质中从而引起各种化学反 应。当超声波作用于高分子化合物的溶液时，会使高分子化合物分子间v a n d e r w a a l s 力大大削弱，对高分子化合物的溶液产生两种不同的影响，第一种影响是 高分子溶液的粘度可逆降低；第二种影响就是能引起高分子溶液的不可逆粘度降 低。高分子溶液如果在较强的超声波的辐射下，由于空化作用，不仅使高分子溶 液中分子间的v a n d e r w a a l s 力被大大削弱，而且还能使具有较高分子量的高分子 化合物分子中的某些化学键被破坏，变成较小分子量的新的高分子化合物。由于 在此过程中发生了化学变化，这时溶液的组成发生了显著的变化，因此，其粘度 也随着发生了改变，一般是粘度降低。 超声波不仅可以促进高分子化学反应，而且还可影响高分子化合物的结构和 分子量的分布。许多高分子化合物在酸或碱的存在下可以发生超声水解作用，如 n a o h 的存在下2 6 6 的聚丙烯酰胺会发生水解反应得到聚丙烯酸。这一反应在 通常的反应条件下其转化率为6 0 ，当采用超声波技术时，其转化率则为7 1 【3 2 1 。 目前，超声波作为木质纤维素的一种预处理方法的研究工作已有报道【3 3 。3 5 】。 1 2 4 木质纤维素的糖化技术 1 2 4 1 现有糖化技术及存在问题 现有的糖化技术主要有酸解法和酶解法两种：( 1 ) 酸法糖化，是最古老的 方法，至今已有近l0 0 年的历史。目前常用的有稀酸水解、浓酸水解和两步酸水 解【3 7 | 。近年来，人们还研究了助催化剂的作用，即用某些无机盐( 如z n c l 2 ， f e c l 3 等) 来进一步促进酸的催化作用【3 8 - 3 9 】。但是酸法糖化往往存在温度高，压 力大，副产物多以及酸液污染等问题。( 2 ) 酶解法糖化：酶解法由于条件温和， 能量消耗小，糖转化率高，无腐蚀、环境污染和发酵抑制物等优点，符合近代绿 色化学的要求，比较有发展前途，因此受到广泛的关注。但由于构成生物质的纤 维素、半纤维素和木质素相互缠绕，形成晶体结构，且酶对结晶状纤维素催化速 度非常慢，酶催化水解工艺中仍存在生产周期长，酶用量大、成本高( 纤维素酶 的费用占糖化总成本的6 0 ) ，糖转化率低，酶对木质素的无效吸附等引起的酶 利用率降低等问题，因此研究高效的生物酶催化木质纤维素降解技术成为研究的 关键。 第一章文献综述 1 2 4 2 木质纤维素糖化技术现状和发展 随着纤维素酶生产技术日益成熟，酶解法已经开始逐渐取代酸解法。据c h e n 等【4 0 】报道，美国加州大学b e r k e i e y 分校以玉米芯为原料，以里斯木霉为产霉菌 株，酶产率为1 9 2i u ( l h ) 。美国n a t i c k 工艺以城市废纤维垃圾为原料，酶水 解间歇进行，2 4h 完成。水解酶用量为1 3 5i u g 纤维素，水解液中葡萄糖浓度为 l o ，水解率达4 5 。现代纤维素燃料乙醇工业均以生物酶催化作为糖化工艺的 核心技术。 纤维素酶成本的居高难下始终是一个困扰木质纤维素转化乙醇技术产业化 的主要障碍之一。遗传重组技术不仅用于控制发酵代谢途径，而且也是纤维素酶 优化( 增强活性) 的一个重要手段。一个重要进展是细胞表面工程技术【4 1 | ，即在 酵母细胞表层蛋白基因上植入纤维素酶等基因，使菌体和酵素在反应器内始终保 持高浓度，持续反复利用，从而降低成本，提高糖化效率。 应用遗传重组技术开发优质纤维素酶、半纤维素酶和木质素酶工程菌，高活 性纤维素酶酵母工程菌和产朊假丝酵母工程菌等g e m 材料已取得显著成绩，包 括将纤维素酶编码序列克隆到细菌、酵母、霉菌和植物中，以产生新的更优质纤 维素酶【4 2 】。 - 此外，应用纳米技术进行分子设计，可以“对号入座”，制造与纤维素酶结 构和功能类似的纳米催化剂，获得新的或更加稳定转化的催化途径，并实现催化 剂的固定重复循环使用。同时，通过纳米传感器和无线网络对酶解，发酵过程进 行智能化在线监控，可以实时精确地优化动态反应条件，提高酶解，发酵效率。 1 3 表面活性剂 1 3 1 表面活性剂 表面活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低表( 界) 面张力的物质。 表面活性剂分子由性质截然不同的两部分组成，一部分是与油有亲和性的亲油基 ( 也称憎水基) ，另一部分是与水有亲和性的亲水基( 也称憎油基) 。表面活性剂 的这种结构特点使它溶于水后。亲水基受水分子的吸引，而亲油基受水分子的排 斥。为了克服这种不稳定状态，就只有占据到溶液的表面，将亲油基伸向气相， 亲水基伸入水中( 图1 5 ) i 4 川。 表面活性剂的性能取决于其亲水基和亲油基的构成，但亲水基在种类和结构 上的改变远较亲油基的改变对表面活性剂性质的影响大。最常用的分类法是按分 子结构中亲水基团的带电性分为四大类j ：阳离子型表面活性剂、阴离子型表面 第一章文献综述 活性剂、非离子型表面活性剂和两性表面活性剂。目前，在我国这几种表面活性 剂的生产量分别占5 6 、3 6 、5 、3 嘣4 5 1 。 w a t e r d s t e 础。 图1 5 表面活性剂分子在油( 空气) 水界面上的排列示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a 伊锄o fs u r f a c t a n tm o l e c u l eo nt h ei r l t e r f - a c eo fo i l ( a i r ) - w a t e r 1 3 2 表面活性剂的作用 表面活性剂分子具有双亲结构，其分子是由亲水基和疏水基构成。这种特殊 结构的分子，使得表面活性剂与常见的有机化合物相比具有了一些特殊的性质。 比如可在液体或固体表面定向吸附，可显著降低水的表面张力，能够在水溶液中 缔合成胶束等。 润湿作用 表而活件剂 直接作用间接作用 乳化分散及增溶作用 发泡与消泡作用 洗涤作用 图1 6 表面活性剂的作用 f i g 1 6e 仃e c to f s u r f a c t a n t - 9 平滑作用 匀染作用 抗静电作用 杀菌作用 防锈作用 第一章文献综述 表面活性剂的上述性质使得表面活性剂具有许多重要作用【4 “8 1 ，概括起来为 图1 6 ，正是这些作用的存在及综合发挥，才使得界面活性剂在工业中占据至要 地位，起到少量加入效果明显的加强或减弱、催化或抑制、调节与增进等作用， 所以有人把表面活性剂形象地叫做“工业味精。 1 3 3 表面活性剂在植物纤维方面的应用研究现状 表面活性剂具有润湿、分散、乳化、增溶、起泡、消泡、洗涤、匀染、固色、 润滑、柔软、拒水、渗透、抗静电、防腐剂、杀菌等多方面的功能。随着世界经 济的发展及科学技术领域的不断开拓，表面活性剂的发展十分迅速，其在植物纤 维方面的应用也越来越普遍。 纤维染色是一种多分子体系的吸附和拆散自组合的过程。高温条件下分散染 料热运动加剧，分散程度增加，扩散到纤维内部的量增大，通过加入合适的表面 活性剂，使其与染料或纤维发生相互作用。例如，通过使染料增溶于表面活性剂 形成的胶束中，降低水溶液中单分子染料浓度或增加染浴中染料分子的分散稳定 性，从而降低染料与纤维的吸附、结合牢固等，使染料分子不沾染到棉纤维上来 达到这一效果。表面活性剂通过增溶、分散以及氢键结合的作用，可以减少分散 染料对棉纤维的沾色作用【4 9 1 。 表面活性剂与酶应有最好的兼容性，使酶与表面活性剂之间存在一种协同作 用。大多数用于办公废纸脱墨的表面活性剂是非离子型的。合适的表面活性剂用 量有助于脱墨，它可以吸附在纤维的表面，降低表面张力，渗透到油墨和纤维之间， 有利于油墨从纤维上分离。当表面活性剂用量为o 0 5 时【5 0 】，脱墨浆的白度高，残 留油墨减少。 日本c h i s s o 公司开发出了具有耐久亲水性能的纤维1 5 ，该纤维可应用于医疗 卫生行业，用于制作卫生用品的表面层，在制取这种纤维的过程中，可以加入阴 离子表面活性剂作为整理剂，这样能够使纤维具有抗静电的性能并且还增加了纤 维表面的光滑性，使纤维更容易被梳理。 在造纸业中，纸制品的防霉、杀菌非常重要。松香阳离子表面活性剂因其具 有的良好杀菌抑菌效果，而在造纸业中受到越来越广泛的重视【5 2 1 。松香阳离子表 面活性剂是典型的两亲分子，其阳离子基团可吸附于微生物表面，破坏其细胞表 面电性达到杀菌抑菌的目的。同时由于松香阳离子表面活性剂与现有的造纸助剂 有良好的相容性，且可很好地吸附吸附在带负电荷的纸浆纤维上，并与分散松香 胶等施胶剂结合而长久停留在纸张中起到长效抑菌的目的。 第一章文献综述 1 4 非离子表面活性剂 非离子表面活性剂自2 0 世纪3 0 年代开始应用以来，发展非常迅速，应用广 泛，许多性能超过离子表面活性剂。随着石油工业的发展，原料来源丰富，工艺 不断改进，成本日渐降低，产量占表面活性剂总产量的百分率越来越高，逐渐有 超过其它类型表面活性剂的趋势。 非离子表面活性剂在水中不电离，其亲水基主要是由一定数量的含氧基团 ( 一般由醚基和羟基) 构成。正是这一特点决定了非离子表面活性剂在某些方面 比离子表面活性剂优越：由于在溶液中不呈离子状态，故稳定性高，不易受强电 解质无机盐存在的影响，也不易受酸碱的影响；与其它类型表面活性剂相容性好， 可以复配使用；在水及有机溶剂中皆有较好的溶解性能；由于在溶液中不电离， 故在一般固体表面上不易发生强烈吸附。 这类表面活性剂虽在水中不电离，但有亲水基( 如氧乙烯基c h 2 c h 2 0 、醚 基o 、羟基0 h 或酰胺基一c o n h 2 等) ，也有亲油基( 如烃基r ) 。它包括两大类： 聚乙二醇型( 也叫聚氧乙烯型) 和多元醇型表面活性剂。 1 4 1 非离子表面活性剂的性质 l 塑竺二 0 c 0 也。哭z c f 匙。呲c f c 弋。c z hc h 。 。 c h 2c h ， 。 c h ，c h 2 v c h ， i s 山“nw a t e r 舢y a r o u ss t a t u scs e 盯a t i 。n ， ，：o，z o? z o ? z 。 匝巫 ，h 2 h ：6 、h 2 h ：耳。h 2 h ：八h 2 h ：，h 心弋 ) _ c h 2 h 茹，夕h 2 h 2 c c h 2 h ：k 。h ： h ：o 一：o 厶：o。o i na q u e o u ss o l u t i o n s ( z i g z a g ) 图1 7 聚乙二醇型表面活性剂的链型变化 f i g 1 7c h a i nt ) r p ec h a n g eo fp o l y g l y c o ls u r f a c t a n t 1 l - 第一章文献综述 非离子表面活性剂的亲水性主要是由聚乙二醇基( 亦即聚氧乙烯基) 或羟基 所致，聚氧乙烯基( 一c h 2 c h 2 0 一) 。及羟基o h 中的氧原子都有可能与水分子 形成氢键。图1 7 是聚乙二醇型非离子表面活性剂溶于水的过程机理。这类表面 活性剂在无水状态时为锯齿形，而溶于水后则主要呈曲折形，曲折形的分子链中 亲水的氧原子都置于链的外侧，而疏水的一c h 2 一则在内侧，其整个似一个大多 氧亲水基。醚键中的氧原子与水中的氧原子以弱的化学结合力形成氢键，因而能 溶于水。 1 4 2 非离子表面活性剂在纤维素酶水解中的应用 r e e s e 掣5 3 j 首次发现，表面活性剂可改变厌氧真菌细胞膜的流动性，从而刺 激纤维素酶水解酶的分泌。而瘤胃中也存在大量厌氧真菌，并且厌氧真菌是瘤胃 中降解粗纤维的一类非常重要的微生物。这提示，t w e e n 对瘤胃发酵过程，特别是 粗纤维的降解可能具有一定的调控作用。 有研究表明，表面活性剂具有提高纤维素降解的作用【5 4 1 。近来研究表明 t w e e n8 0 能提高瘤胃细菌，真菌的生长速率，并能显著提高纤维素酶，木聚糖酶 和淀粉酶的活性1 55 ，5 6 j 。研究发现，t w e e n 8 0 可促进瘤胃厌氧真菌和部分细菌的生 长、刺激纤维素降解酶的释放、抑制酶活性下降、增加酶活性、促进底物与酶的 附着【5 3 ，5 7 。5 引。在体外培养条件下，t w e e n 8 0 和t w e e n 2 0 对棉花秸秆的降解具有显 著的促进作用”吼训。 表面活性剂可以用来提高纤维素的水解率，其中非离子表面活性剂被认为是 更合适的可提高纤维素水解率的物质1 6 1 | 。研究表明，非离子表面活性剂是多种酶 的激活剂，对酶活性的保护和增效具有特殊的作用，而t w e e n ( 多聚山梨醇酯， p o l y s o r b a t e ) 系列的表面活性剂作为非离子型表面活性剂的典型代表被广泛应用 于实验中。t w e e n 8 0 广泛用于工业生物反应器以促进