（化学工程专业论文）超声波辅助生物催化降解木质纤维素制燃料乙醇的研究.pdf

中文摘要 经济社会的发展以能源为重要动力，随着化石能源日益枯竭，开发新能源成 为全人类迫在眉睫的任务。生物质能源具有分布广泛、储量庞大、再生速度快的 优点，必将替代化石能源成为未来能源化工的主要发展方向。 以木质纤维素为原料制备乙醇是生物质能源化利用的热点技术，该技术旨在 利用农业秸秆、城市垃圾等木质纤维素原料经过加工得到乙醇。木质纤维素结构 复杂，必须经过处理使其降解成为小分子糖才能被微生物所利用发酵制得乙醇。 生物降解具有能耗低、无污染的优势，是较有发展前景的木质纤维素降解手段。 本论文以生物酶降解木质纤维素为核心技术，研究了超声波辅助预处理技术以及 复合酶催化技术，对相关技术参数及影响因素进行分析探讨。 超声波微观空化作用可以改变材料结构、促进传质。本论文在预处理技术研 究中重点考察了超声波的作用效果，对不同木质纤维素原料预处理技术进行比 较。超声波辅助碱水解预处理优于其它几种预处理方式，超声作用降低了碱水解 预处理的工艺要求，增强其处理效果，有效脱除原料中的木质素的同时保留绝大 部分纤维素和半纤维素；该工艺原料分解率为2 4 1 ，纤维素损失率为7 ，半 纤维素损失率为1 4 8 ，木质素脱除率为4 3 3 ，纤维素酶催化反应4 8h 糖化率 为4 5 6 。 本论文采用8 0w ，2 0k h z 超声波辅助酶催化反应进行，由改性纤维素酶、 葡萄糖苷酶、仅淀粉酶和戊聚糖酶构成的复合酶催化降解碱预处理得到的木质 纤维素原料。酶催化适宜反应条件为：5 5 、p h 值6 0 、1 8 0r p m 、4 8h 、酶用 量1 、固液比为1 ：1 5 。此法与单酶催化相比酶催化效率从2 2 8 提高至6 8 5 。 实验证明对于降解木质纤维素原料，超声波对酶催化反应有较强促进作用，8 0w 超声场下，纤维素酶催化效率提高了7 0 ；添加伊葡萄糖苷酶和戊聚糖酶有效 提高了纤维素酶的作用效率。 使用酒精酵母对酶催化木质纤维素降解所得糖液进行发酵，一级种子液培养 2 2 小时，接种量5 ，发酵液糖浓度为1 0 ，发酵1 2h 。本论文研究所得天然木 质纤维素生产燃料乙醇工艺路线的燃料乙醇产率为1 1 9 。 关键词： 燃料乙醇；木质纤维素：纤维素酶；预处理；超声波 a b s t r a c t e n e r g yi sa l li m p o r t a n tm o m e n t u mt ot h ed e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t y a l o n gw i t h t h ee x h a u s t i o no ff o s s i lf u e l ，n e we n e r g ye x p l o i t a t i o nb e c o m e se x t r e m e l yu r g e n t b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fb i o m a s se n e r g yl i k eb r o a dd i s t r i b u t i o n ，t r e m e n d o u s r e s e r v e s ，h i g h s p e e dr e g e n e r a t i o n ，i tw i l lr e p l a c et h ef o s s i le n e r g ya n db e c o m et h e d o m i n a n tp a r to fc h e m i c a lt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e p r o d u c i n gf u e le t h a n o lw i t hl i g n o c e l l u l o s ei st h ek e yp o i n to fb i o m a s su t i l i z a t i o n t h e a i mo ft h i st e c h n o l o g yi sp r o d u c i n ge t h a n o lw i t hw a s t ec e l l u l o s em a t e r i a ls u c ha s s t r a w , c e l l u l o s eg a r b a g e ，a n dw a s t ep a p e r l i g n o c e l l u l o s ei sak i n do fc o m p a c t m a t e r i a lw h i c hm a i n l yc o m p o s e d b yc e l l u l o s e ，h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n o s e t h i s m a t e r i a lm u s tb ed e g r a d a t i o nt om o n o s a c c h a r i d eb e f o r ef e r m e n t a t i o n 。b i o d e g r a d a t i o n i st h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g yo fc e l l u l o s ed e g r a d a t i o na si t sa d v a n t a g eo fl o w e n e r g ya n dl o wp o l l u t i o n t h ep r o d u c t i o no ff u e le t h a n o lw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r w i t hb i o d e g r a d a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ef a c t o ra n a l y s i s t h em i c r o c o s m i cc a v i t a t i o no fu l t r a s o n i cc a nc h a n g et h es t r u c t u r eo fm a t e r i a l s a n da c c e l e r a t et h em a s st r a n s f e r t h ee f f e c to fu l t r a s o n i ct op r e t r e a t m e n tw a ss t u d i e d i n t h i sp a p e r c o m p a r e dt oo t h e rp r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s ，a l k a l ip r e t r e a t m e n t c o o p e r a t ew i t hu l t r a s o n i cw a sc o n s i d e r e dt ob et h eb e s tw a y t h ec o n d i t i o n so fa l k a l i p r e t r e a t m e n tw e r ew e a k e n e da n dt h er e s u l tw a sb e t t e rw h e nu s i n gu l t r a s o n i c i n a d d i t i o n ，a l k a l ip r e t r e a t m e n tc a nd o f ft h el i g n o s ee f f e c t i v e l y ；m e a n w h i l ek e 印t h e m o s tp a r to fc e l l u l o s ea n dh e m i c e u u l o s e w i t ht h i sp r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y , t h e r e s o l u t i o nr a t i oo fr a wm a t e r i a li s2 4 1 ：l o s sr a t eo fc e l l u l o s ea n dh e m i c e l l u l o s ei s 7 a n d1 4 8 r e s p e c t i v e l y ；t h ed o f fr a t eo fl i g n o s ei s4 3 3 ：t h es a c c h a r i f i c a t i o nr a t e o fp r e t r e a t e dm a t e r i a li s4 5 6 a f t e r4 8h o u r sc e l l u l a s ec a t a l y s i s i nt h i sp a p e r , t h ec e l l u l a s e ，f l - g l u c o s i d a s e ，a a m y l a s ea n dp e n t o p a nw e r eu s e dt o c o m p o s et h em u l t i e n z y m e t h em u l t i e n z y m ew a se m p l o y e dt oc a t a l y z et h ea l k a l i p r e t r e a t e dm a t e r i a l t h eo p t i m a lc o n d i t i o no fm u l t i e n z y m ec a t a l y s i si s ：5 5 ，p h6 0 ， 18 0r p m , 4 8h ；t h ed o s a g eo fe n z y m ei s1 ；8 0w2 0k h zu l t r a s o n i cw a su s e dt o a s s i s tt h ee n z y m ec a t a l y s i s c o m p a r e dt ot h es i m p l e xe n z y m ec a t a l y s i s ，t h ee a t a l y t i c a l e f f i c i e n c yi se n h a n c e df r o m2 2 8 t o6 8 5 a n dt h et e c h n o l o g yi sp r e d i g e s t e d t h e e x p e r i m e n tp r o v e dt h a t ，t od e c o m p o s et h el i g n o c e l l u l o s e ，t h ef l - g l u c o s i d a s ea n d p e n t o p a nc a ne n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fc e l l u l a s e ；u l t r a s o n i ca l s os h o w sg r e a te f f e c to n e n z y m ec a t a l y s i s u n d e r8 0w u l t r a s o n i cw a v e ，t h ec a t a l y t i c a le f f i c i e n c yo fc e l l u l a s e w a si n c r e a s e db y7 0 t h ey e a s tw a su s e dt of e r m e n tt h es u g a rw h i c hp r o d u c e db ys a c c h a r i f i c a t i o n t h e o p t i m a lt e c h n o l o g y ：i n o c u l a t ed o s a g ei s5 ，c o n c e n t r a t i o no fr e d u c i n gs u g a ri s 10 ， f e r m e n t12h o u r s b yt h et e c h n o l o g yw h i c hs t u d i e di nt h i sp a p e r , t h et o t a lf u e le t h a n o l y i e l dr a t ei s1 1 9 k e yw o r d s ：f u e le t h a n o l ；l i g n o c e l l u l o s e ；c e l l u l a s e ；p r e t r e a t m e n t ；u l t r a s o n i c 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，也不包含为获得鑫鲞盘堂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。 学位做作者虢骡弘华签字慨m 年厶月叭1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗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 向圈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) 学位论文作者虢骒伊哮 签字日期：y 叩年月胗日 导师签名：乏z 签字日期：m ) 年月夕h 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 能源问题与生物质利用 1 1 1 能源问题现状 能源是人类社会赖以生存和实现可持续发展的动力。目前世界上使用的8 0 的能源为不可再生的化石燃料，而这些化石能源坚持不了几代人的时间就会逐渐 枯竭耗尽【1 】。根据世界能源委员会( w e c ) 公布的数字，煤炭、石油、天然气三 大资源按照当前储量和2 0 0 0 年预测的年平均能耗计算分别只能使用3 1 7 年、5 8 8 年和6 6 5 年【2 1 。人们在使用化石燃料的同时也向大气中排放大量的二氧化碳、二 氧化硫等气体，使全球变暖，严重影响着人类的健康和人们赖以生存的自然环境。 随着化石燃料的不断消耗和日趋枯竭，以及人们环保意识的不断加强，研究开发 可再生的清洁能源成为2 1 世纪人类需要解决的问题之一。 我国能源问题更加严峻，人均能源资源量远低于世界平均水平，另外中国能 源还存在环境污染严重、能源价格不合理、可再生资源开发利用率低等问题。开 发生物质能源成为解决中国能源问题的关键因素【3 】。 1 1 2 生物质能源的开发利用 生物质能源是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为2 1 世纪主要的新能源之一。地球上每年植物光合作用固定的能量相当于全世界每年 耗能量的1 0 倍。生物质遍布世界各地，其蕴藏量极大，仅地球上的植物每年生 产量就像当于现阶段人类消耗矿物能的2 0 倍，或相当于世界现有人口食物能量 的1 6 0 倍【4 】，可谓取之不尽、用之不竭。生物质能源的主要的开发方式包括：沼 气技术、生物质热裂解( 生物质发电) 、生物质液体燃料等。其中生物质液体燃 料技术成为当前发展的热点。该技术原材料资源丰富，同时燃料乙醇作为能源使 用，在一些国家和地区己经广泛应用，因此生物质燃料乙醇的生产是中国生物质 液体燃料发展的重要方向。 1 2 燃料乙醇的制备现状 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 燃料乙醇的生产过去均以各种粮食为原料，其产量受到粮食资源的限制，大 规模生产必将导致严重的粮食短缺。从长远考虑必须进行科技创新，扩大原料来 源。含木质纤维素的生物质废弃物是生产燃料乙醇的另一原料来源，它包括农作 物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等【5 】。国内外专 家对木质纤维素原料转化为乙醇燃料进行了大量的研究并取得了实质性成果。 2 0 0 1 年世界乙醇年产量达3 1 4 亿升，其中近2 0 0 亿升为燃料乙醇，约占乙 醇总量的6 3 【6 j 。美洲在乙醇的生产上是世界乙醇生产的领头羊，同样在将纤维 质转化为燃料酒精的研究、生产和应用方面，巴西和美国也走在了世界的前列。 在国外，以纤维质为原料生产酒精正逐步走向一个技术成熟的阶段【7 一。 与美国等国家相比，我国的燃料乙醇生产在近几年才受到政府高度重视，自 2 0 0 0 年以来我国推广使用车用乙醇汽油工作取得了很大进展。目前，我国推广 使用车用乙醇汽油工作已取得阶段性成果 1 0 a h 。2 0 0 1 年4 月，河南天冠集团公 司和黑龙江华润金玉实业有限公司变性燃料乙醇改扩建项目已相继投产【1 2 1 ，但 对以纤维素为原料生产酒精的技术条件的研究还不成熟。虽然中国科学院早在 1 9 8 0 年就在广州召开了“全国纤维素化学学术会议，把开发利用纤维素资源作 为动力燃料提到议事日程上来，但是到目前为止，仍没有取得重大突破，木质纤 维素转化为酒精的新型开发技术在工业上尚未大规模实施，其工艺技术的改进和 基础理论的研究仍在进行之中。因此在我国以纤维质废物为原料生产酒精仍需进 一步的深入研究。 1 3 木质纤维素与纤维素酶 1 3 1 天然木质纤维素 天然木质纤维素中主要含有纤维素、半纤维素、木质素和少量其它成分。植 物纤维是指植物体内细而长的细胞，纤维素是构成此类细胞细胞壁的主要成分， 约占植物体干重的3 5 - - 5 0 。纤维素是d 葡萄糖以f l - 1 ，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及纤维素和伊纤维素；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。 半纤维素是不像纤维素那样仅由d 葡萄糖以伊1 ，4 糖苷键连接方式形成直链 结构的同聚糖单一形式，而是以不同的几种糖( 包括：木糖、甘露糖、葡萄糖和 半乳糖) 组成的共聚物，半纤维素是这样一群共聚物的总称。由于半纤维素在化 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 学结构上具有支链，所以它的物理结构是无定形的，聚合度很低，基本没有结晶 结构，因此，不如纤维素稳定，在各种剧烈环境中都较容易降解。 岫却c h 2 。h i h a c o h c h 2 0 h i o c h i c h r h c 卸 r h o c h 2 - - c - - o o c h 3 h 占o h 图1 - 1 木质素部份分子结构 f i g i - ip a r to f m o l e c u l a rs t r u c t u r eo f f i g n i n h 3 木质素的基本结构是在苯丙烷间通过醚键和碳碳键连接而成的复杂的、无 定形的三维空间结构，依苯丙烷的侧链取代基的不同，它又可分为松柏醇、芥子 醇和对香豆醇三种不同形式。不同植物或植物的不同部分木质素的含量有所不 同，木本植物都在2 0 - - 4 0 而禾本植物在1 5 - - 2 0 。木质素具有丰富的物理 化学性质，是十分有用的化学药品，具有较高的经济价值。木质素是植物细胞壁 中坚韧的成分，其机构非常稳定，一般溶剂很难将其溶解，它是天然木质纤维素 酶解的主要阻力之一。 天津大学硕士学位论文 第章文献综述 天然木质纤维素就是由纤维素、半纤维素和木质素相互包裹构成的紧密结 构。由于这种结构，使得纤维素酶不能有效的接触到催化反应底物，从而大大降 低了其作用效率( ”j 。表1 1 列出了几种木质纤维素中纤维素、半纤维素和木质素 的含量【1 4 1 。 表1 1 几种木质纤维素原料的组成 t a b 1 - 1c o m p o n e n to fs e v e r a lk i n d so fl i g n o c e l l u l o s e 1 3 2 纤维素酶 纤维素酶是一个多酶体系，包括外切伊1 ，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 ) 、内切侈1 ，4 葡聚糖酶( e n d o g l u c a n a s e ，e g ) 和伊1 ，4 葡聚糖苷酶 ( g l y c o s i d a s eb g ) 。c b h 是纤维素降解酶系的主要组分，它从纤维素的非还原 糖末端水解伊1 ，4 葡萄糖苷键，产物是纤维二糖【】5 1 。e g 随机内切纤维素分子内的 伊l ，4 葡萄糖苷键，产生纤维寡糖、纤维二糖和葡萄糖。b g 可水解纤维二糖、纤 维寡糖及其他葡萄糖苷，产生葡萄糖，故又称纤维二糖酶，b g 在纤维素酶制剂 中，酶蛋白含量最少，只占1 左右 1 6 , 1 7 1 。 c b h 具有催化和吸附纤维素两个不同的结构区域催化结构域( c a t a l y t i c d o m a i n ，c d ) 和吸附结构域( c e l l u l o s eb m d m gd o m a i n ，c b d ) ，由于c b h 的活 性中心呈狭长的隧道状深陷于催化结构域的内部，只有单链纤维素分子能够进入 【1 引。c b d 具有从结晶纤维素表面分离出纤维素单链的作用，纤维素酶的作用过 程必须是先吸附再催化，所以c b d 结构域能否在酶解过程中高效的进行吸附分离 4 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 作用是提高纤维素酶降解纤维素速率的决定因素【】9 】。 1 4 木质纤维素生产燃料乙醇的技术 国内外对利用木质纤维素尤其是秸秆纤维来生产燃料乙醇进行了大量的研 究，但该技术一直未能在规模生产中推广应用，究其根本主要是因为现阶段的技 术中还存在着严重制约木质纤维燃料乙醇生产的关键问题。木质纤维素制燃料乙 醇的工艺主要可以分为两大部分原料预处理与糖化发酵工艺。 图1 - 2 纤维素燃料乙醇的生产流程 f i g 1 - 2t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f l i g n o c c l l u l o s ce t h a n o lp r o d u c t i o n 1 4 1 原料预处理技术 原料预处理技术是木质纤维素制燃料乙醇的关键技术，直接影响到生物催化 的效率和乙醇产率。 天然木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素鄙d 葡萄 糖基1 ，4 苷键联结而成的线性高分子化合物；半纤维素主要是由木糖通过声1 ，4 糖苷键连接而成的；木质素是一种长链杂聚体，由苯丙基丙烷单元( 即c 6 c 3 单 元) 通过醚链和c c 连接而成，具有三维结构的芳香族高分子化合物，以愈疮木 核和紫丁香核为主的芳香核是木质素的基本结构单元 2 0 ，2 q 。 在生产燃料乙醇时，原料中的纤维素和半纤维素可以在酸或酶的作用下转化 成可发酵性糖类，并经微生物发酵产生燃料乙醇。但具有特殊结构的木质素很难 分解，同时也无法形成可发酵性糖类，因此利用秸秆生产燃料乙醇实质上就是利 用其中的纤维素和半纤维素成分。但由于纤维素、半纤维素和木质素这三种成分 均呈不连续的层状结构，彼此黏结又互相间断，木质素和半纤维素是微细纤维之 间的填充剂和黏结剂的特殊结构；同时木质素虽对纤维素分解物质( 如酶) 反应 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 没有阻碍作用，但它阻止纤维素分解物对纤维素的吸附。在预处理工艺中脱除木 质素可以有效提高纤维素酶对底物的催化性能。 天然木质纤维素中的纤维素本身具有由氢键联接而成的紧密结晶区域，这些 区域的存在使得纤维素的降解变得异常困难。天然纤维素平均聚合度大体为 8 5 0 0 9 5 0 0 ，结晶度7 0 以上，结晶区域由7r i m 3n m 5 0n m 的基本单元构成， 排列非常规整【1 4 】。区域内所有的羟基都形成氢键，所以不存在游离状态的羟基。 这种结构几乎不透水，酶分子就更难对其有效的催化降解。只有选择合适的预处 理手段改变结晶纤维的结构，降低氢键作用，增大原料比表面积才能提高纤维素 酶的催化效率。 因而对秸秆进行预处理，除去木质素，或破坏木质素层，尽量使纤维素结晶 度降低【2 2 2 3 1 ，提高纤维素的糖化率是生物质燃料乙醇生产的关键步骤。 1 4 1 1 现有技术及存在问题 目前生物质燃料乙醇生产中对原料常用的预处理方法有四种：物理法、化学 法、物理化学法、生物法【冽。 物理法：包括球磨、压缩球磨【2 5 1 、爆破粉碎、冷冻粉碎、声波、电子射线 等，均可使纤维素粉化、软化，提高纤维素的酶解转化率。但该方法存在作用不 明显，如在1 0 0m r a d 电子辐射的处理下，秸秆的糖化率才提高1 0 t 2 明；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 - - 6 0 ，且设备成本高； 条件苛刻，如爆破需要2 0 0 。c 以上的高温【2 7 】、冷冻粉碎需要一1 0 0 。c 的低温等缺 点，这就是采用物理法预处理原料生产燃料乙醇的障碍性问题。 化学法：包括无机酸( 硫酸 2 8 , 2 9 , 3 0 】、盐酸、乙酸等) 、碱( n a o h 、碱性过氧 化氢、氨水【3 1 】等) 和有机溶剂【3 2 】( 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 3 3 】。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 ) 【3 4 】，试剂回收、中和和洗涤困难；强酸和 强碱对设备的要求高，造成设备成本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 5 】。 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。 物理化学法( 如用化学添加法和气爆法相结合) ：处理效果较好，但也存在 成本高，污染相对严重的问题。 生物法：是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，从而可以专一性地降解木质素， 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 6 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 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。 1 4 1 2 预处理技术可行的途径 燃料乙醇生产预处理技术种类繁多，各自都具有其优势和缺陷，经过长时间 的研究发现，单一预处理技术应用于木质纤维素制燃料乙醇很难在经济实用的条 件下达到较好的预处理效果。通过选择合适的预处理技术进行搭配，集合各种预 处理技术的优势，相互弥补缺陷可以获得比较理想的效果，所以实现预处理技术 的集成化将成为必然。 化学预处理具有工艺简单，处理效果好的优势，其缺陷在于酸碱等化学溶剂 用量较大，造成环境及设备成本的增高，使其不能满足现代化生产要求。为了解 决这些问题，可以将化学方法与其它方法相结合，比如碱性溶剂与性蒸汽爆破技 术结合，可以降低碱用量又降低蒸汽爆破所需要的高温，并且处理原料的效果也 得到了一定提升。所以只要选择合适技术进行搭配，就可以获得经济有效的预处 理技术。 1 4 1 3 超声波技术 超声波在媒质中传播时使媒质质点进入振动状态，二者相互作用产生空化现 象。空化现象分为瞬态空化与稳态空化，前者短暂而剧烈( 发生在较高声强下) ， 空化泡迅速涨大并破裂；后者空化泡的大小变化是有规律和缓和的( 在较低声强 作用下) ，两种空化现象在超声波处理时几乎同时存在。空化泡破裂时发出的冲 击波能引起空化泡周围物质的机械破坏作用，同时也引起围绕小泡的液体物质的 剧烈流动加速传质，即微声流现象的发生，低速微声流可使空化泡周围的物质混 匀。超声波应用于化学过程的主要作用就是强化传质，提高反应效率。 超声波技术的应用范围较广，比如有机合成、药物提取、电化学、医疗等方 面都有较为成熟的应用。超声波技术使用成本较低，作用效果明显，是一项十分 具有开发潜力的技术。超声波产生的空化作用不仅能强化传质，对被作用材料本 身也能产生结构上的影响。木质纤维素中包含纤维素、半纤维素和木质素三种成 分，需要降低反应过程中的传质阻力、打破其包裹结构，而超声波处理的作用恰 好能满足这个要求，所以将超声波技术应用到木质纤维素原料的处理工艺中具有 很好的研究价值。 1 4 2 木质纤维素的水解糖化 将木质纤维素中的纤维素和半纤维素降解为可发酵糖类的过程称为糖化过 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 程。糖化工艺是木质纤维素制燃料乙醇的关键步骤，其目的在于尽可能多的获得 可发酵糖类( 主要包括葡萄糖和戊糖) 。现有的糖化技术主要有酸解法和酶解法 两种。最古老的纤维素糖化方法是以酸解为基础的【3 7 1 ，主要有浓酸水解、稀酸 水解和两步酸水解 3 8 - 3 9 】，近年来，人们还研究了某些无机盐( 如z n c l 2 ，f e c l 3 等) 来进一步促进酸的催化作用 4 0 训】。 酸解法已有近一百年的历史，发展至今，仍存在许多问题，如酸回收问题、 设备腐蚀、工程造价等。而新兴的生物催化技术具有高效无污染等优势，因此生 物酶催化法已经逐渐替代酸水解法【4 2 】。 1 4 2 1 生物酶水解技术 随着纤维素酶生产技术日益成熟，成本大幅度降低，酶解法已经开始逐渐取 代酸解法。据c h e n 等报道，美国加州大学b e r k e l 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 t 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1 0 ，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。 纤维素酶是一个多酶体系，包括外切节1 ，4 葡聚糖酶( c b h ) 、内切i 伊1 ，4 葡 聚糖酶( e g ) 和伊1 ，4 葡聚糖苷酶( b g ) 。纤维素的酶水解机理至今仍未完全研 究清楚，但普遍认为在将木质纤维素水解成葡萄糖的过程中，必须依靠三种组分 的协同作用才能完成。纤维素大分子首先在c b h 和e g 酶的作用下逐步降解成纤 维二糖，而纤维二糖酶则进一步将纤维二糖水解成葡萄糖。纤维素酶分解纤维素 的过程如下【4 3 】： 纤维素 c b he g 纤维二糖 b g 葡萄糖 由于纤维素酶的成本相对于工业生产依然过高，生产过程中酶用量偏大并且 催化效率偏低，导致纤维素酒精的价格无法与粮食酒精相竞争，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。 1 4 2 2 复合酶催化技术 生物酶制剂具有高度的催化底物专一性，为了提高分解结构成分较为复杂的 底物，必须将多种生物酶制剂相互配合使用。但由于不同的酶制剂对酶催化反应 条件具有不同要求，所以过去常采用分步催化工艺来进行生物降解。为了简化工 艺过程，需要将多种生物酶混合配置成反应条件相近的复合酶制剂，使多个酶催 化反应同时进行，即复合酶催化技术。 复合酶催化技术在农业、制药等行业应用较多，技术相对成熟。纤维素燃料 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 乙醇生产技术虽然围绕生物催化进行，但使用的生物酶制剂较为单一，一般都采 用纤维素酶单酶催化。由于天然植物含有果胶、淀粉、蛋白质、木质素、纤维素 等众多成分，加入其它生物酶分解植物细胞中的各种成分，降低纤维素酶与催化 底物的接触阻力，可以得到较高的纤维素酶催化效率。 1 4 3 酒精发酵工艺 木质纤维素的水解糖化并生产燃料乙醇的过程中，从葡萄糖转化为乙醇的生 化过程是简单和成熟的，反应在温和条件下进行。利用微生物发酵木质纤维素生 产酒精的技术大致可分为直接法、间接法、同时糖化发酵和固定化细胞发酵。直 接法是指用同一微生物完成纤维素的糖化水解和乙醇发酵的生产过程【4 5 撕】。利 用混合菌发酵，可以部分解决产率低的问题【4 7 】；间接法是指先用一种微生物水 解纤维素，收集酶解后的糖液，再利用酵母发酵生产乙醇。此法中常用木霉的纤 维素酶来水解纤维素，产生的糖液再进行发酵，其酒精产量可达到9 7g l 4 8 1 ； 同时糖化发酵是指用一种可产生纤维素酶的微生物和酵母在同一容器中连续进 行纤维素的糖化和发酵；固定化细胞发酵具有提高发酵器内细胞浓度、细胞可连 续使用、最终发酵液酒精浓度高等优点1 4 9 。目前传统的间歇发酵已被各种连续 发酵技术所取代，因而有高的生产率，可为微生物生长保持恒定的环境，同时也 能达到高的转化率。其水解产物为以木糖为主的五碳糖，以农作物秸秆和草为原 料时还有相当量阿拉伯糖生成( 可占五碳糖的1 0 - - 2 0 ) ，故五碳糖的发酵效 率也是决定过程经济性的重要因素，能同时发酵戊糖和己糖的菌种也已发现和改 良，并能够达到较高的产率【3 们。 1 4 4 纤维素燃料乙醇制备现存主要问题 木质纤维素类物质生产乙醇技术在近3 0 年里研究得很多，对其组分、水解 方法、发酵工艺和发酵菌种等方面都进行了研究，为木质纤维素生产乙醇奠定了 一定的基础。目前以生物催化降解木质纤维素技术为核心的燃料乙醇制造技术已 经成为主流，但是由于纤维素酶的成本较高，生产过程中，酶用量偏大，导致纤 维素酒精的价格无法与粮食酒精相竞争，同时纤维素酶降解木质纤维素的效率很 低，直接使用无法满足工业生产要求，因此还要加强对以下技术的研究：进一 步研究纤维素原料的预处理技术，同过各种技术的集成得到合理的预处理工艺， 提高原料的酶解性能；进行木质纤维素糖化技术的研究，解决目前存在的酶 解效率低和成本高的问题； 尽管近年来生物技术已取得发展，不分解决了基因工程酶的活性及稳定性问 9 天津大学硕士学位论文第章文献综述 题，但研究更加低廉有效的木质纤维素类物质的预处理方法，优化生产酒精各个 环节仍然是必须面对的总要问题。如果能解决好这些问题，那么木质纤维素原料 生物转化乙醇必将产生更大的社会效益和经济效益。 1 5 本论文的研究内容及意义 为了探索合理的天然木质纤维素制燃料乙醇工艺过程，解决现有技术的诸多 不足，提高原料糖化率、实现原料综合利用、降低污染和能耗，本论文将重点研 究木质纤维素原料的预处理和糖化技术。 本论文将超声波技术应用于纤维素燃料乙醇预处理工艺，通过比较单一的酸 预处理、碱预处理、超声预处理和超声辅助预处理的作用效果和技术参数，考察 超声波技术对预处理工艺的作用效果，总结出较为有效的木质纤维素预处理工艺 路线。 通过对纤维素酶催化机制和木质纤维素结构的分析，采用超声辅助生物酶催 化技术对预处理后的原料进行糖化，研究主要由改性纤维素酶、戊聚糖酶、卢。 葡萄糖苷酶、淀粉酶构成的复合酶催化在糖化工艺中的重要作用和酶催化环境对 催化效果的影响，同时对糖液的酒精酵母发酵步骤进行初步研究。 本论文的意义在于研究合理有效的天然木质纤维素原料预处理技术，配合生 物酶催化手段，达到在能耗、成本和化学药品使用量较低的条件下，将原料糖化 率维持在较高水平目的，为我国木质纤维素燃料乙醇工业的发展和生物质能源的 开发应用提供了实验基础。 l o 天津大学硕士学位论文第二章木质纤维素原料预处理技术的研究 第二章木质纤维素原料预处理技术的研究 2 1 实验试剂与仪器 纤维素酶( 1 1 0 4u 岔1 ) 、伊葡萄糖苷酶( 4 1 0 3u g 1 ) 、a 淀粉酶( 1x 1 0 5u 岔1 ) 、 戊聚糖酶( 1 x 1 0 5 u g d ) ：由天津诺奥生物技术有限公司提供； 无水乙醇、丙酮、酒石酸甲钠、亚硫酸氢钠、结晶酚、3 ，5 一二硝基水杨酸、 无水葡萄糖、木糖、苔黑酚、浓h 2 s 0 4 、n a o h 均为分析纯：天津大学科威试剂 公司。 f w 一2 0 0 高速万能粉碎机：北京中兴伟业仪器有限公司； s p m 1 0 b 数字酸度计：萧山仪器标准件厂； h z s h 水浴振荡器：哈尔滨市东联电子技术开发有限公司； s h z 一8 2 气浴恒温振荡器：上海常思工贸有限公司； k q 2 2 0 0 b 型超声波清洗机：昆山市超声仪器有限公司； w h 8 4 0 l 型电动搅拌器：天津市威华实验仪器厂； 1 0 1 1 型电热鼓风干燥箱：上海锦屏仪器仪表有限公司通州分公司； z d h w 调温电热套：北京中兴伟业仪器有限公司； s e n c or 系列旋转蒸发器：上海申生科技有限公司； 循环水式多用真空泵s h b 一a ：河南省太康教材仪器厂； 7 2 1 型分光光度计：上海第三分析仪器厂； m a g n a 1 r 5 6 0 红外光谱仪：美国n i c o l e 公司； 5 x 5 1 2 型马弗炉：天津实验电路厂； x l 3 0 型环境扫描电子显微镜( e s e m ) - 荷兰p h i l i p s 公司； x p e r tx 射线衍射仪：荷兰p a n a l y t i c a l 公司。 、 2 2 实验部分 2 2 1 分析方法 2 211 原料成分分析 用高速粉碎机将玉米秸秆粉碎成2 0 目 - 4 0 目( d o 9 m m ) 的颗粒粉末作为 天津大学硕士学位论文第二章木质纤维素原料预处理技术的研究 实验材料，精确称量ig 原料粉末置于已称重的带胶塞锥形瓶中，不封口8 0 干 燥至衡重后取出封口称量质量，计算出原料含水量。 本实验采用浓硫酸法测量预处理前后样品中纤维素、半纤维素和木质素含量 的变化，该法具体步骤见附录1 。 分解率或降解率( r a t eo fd e g r a d a t i o n ，) = 丝塑鬻簇甏蒺警巡圳。预处理前该成分的含量 2 212 糖的测定方法 还原糖含量的测定方法一d n s 法 本实验采用d n s 法测量体系中还原糖含量。操作方法见附录2 。 酶鳃糖化率= 酯嘲喁零嗵孱镤侉强壹木睫飘整繁茕讳强睫萋x 1 0 0 戊糖含量测量方法一苔黑酚法( 附录3 ) 承搭毖龙劳拿量- - a 2 所0 8 8 1 0 0 1 0 0 m 葡甍糖含量= 还曝糖含量一茂糖含量 式中氏7 0 为样品在6 7 0n n l 处的吸光值；0 8 8 为聚合系数；m 表示原样品质量。 2 2 2 预处理技术的研究 预处理工艺最主要的目的就是在尽量保留酶催化底物纤维素和半纤维 素的同时有效脱除木质素并降低纤维素原料结晶度。 化学法预处理木质纤维素原料应用较为广泛，具有操作工艺简单，易于实现 工业化的优势，但为了保证处理效果，必须采用较大的酸、碱用量，这对设备和 环境造成危害。 本章以化学预处理为中心，采用超声波辅助作用对其进行改进。研究了超声 波对木质纤维素原料性能的影响以及超声波辅助化学预处理技术，并对比单一酸 水解和碱水解两种化学预处理技术，筛选出较为合适的预处理方案和工艺参数。 2 2 2 1 碱水解预处理 取绝干玉米秸秆粉末1 0g ，用质量浓度1 1 0 n a o h 按固液比为1 ：1 2 ( w v ) 加入反应器中，于2 5 1 6 0 反应0 5h - - 一8h ，抽滤得滤渣和滤液， 滤渣水洗至中性，分析滤渣中各成分含量。用2t o o l lh 2 s 0 4 于常温下将滤液调 至p h 值为2 - - 3 ，加热到5 0 保温1 0m i n ，冷却静置6 0m i n 离心分离得到碱木质 素，分析滤液中葡萄糖与戊糖的含量。滤渣按1 用量加入纤维素酶，5 0 c 下反 1 2 天津大学硕士学位论文第二章木质纤维素原料预处理技术的研究 应4 8h ，测液相中还原糖含量。 2 2 2 2 酸水解预处理 取绝干玉米秸秆粉末1 0g ，用不同质量浓度的h 2 s 0 4 按固液比为1 ：1 5 ( w v ) 加入反应器中，于2 5 、9 8 、1 2 0 、1 7 0 ，2 1 0 反应一定时间，抽滤得滤 渣和滤液，滤渣水洗至中性，分析滤渣中各成分含量。滤渣按1 用量加入纤维 素酶，5 0 下反应4 8h ，测还原糖含量。 2 2 2 3 超声波预处理 取绝干玉米秸秆粉末2g ，于5 0 c 热水中使用4k h z 、8 0w 超声波振荡0 5 h 8h ，离心分离后分别分析固、液相的成分。处理后的物料按1 用量加入纤 维素酶，5 0 下反应4 8h ，测还原糖含量。 2 2 2 4 超声波辅助预处理 超声波辅助酸水解 取绝干玉米秸秆粉末1 0g ，按固液比1 ：1 5 ( w v ) 加入1 0 h 2 s 0 4 ，5 0 c 热水中使用4k h z 、8 0w 超声波振荡0 5h - - 3h ，离心分离后分别分析固、液相 的成分。处理后的物料按1 用量加入纤维素酶，5 0 下反应4 8h ，测还原糖含 量。 超声波辅助碱水解 取绝干玉米秸秆粉末1 0g ，按固液比l ：1 2 ( w v ) 加入5 n a o h 溶液，2 5 c 下使用4k h z 、8 0w 超声波振荡0 5h 3h ，然后离心分离后分别分析固、液相 的成分。处理后的物料按1 用量加入纤维素酶，5 0 c 下反应4 8h ，测还原糖含 量。 2 3 结果与讨论 2 3 1 分析方法 2 311 原料成分分析 本论文以玉米秸秆为实验对象。将秸秆粉碎成2 0 目颗粒粉末，取1 克粉末 采用浓硫酸法进行成分分析，分析结果见表2 1 ： 天津大学硕士学位论文第二章木质纤维素原料预处理技术的研究 表2 - 1 中湿含量指原料未经过干燥时各组分的含量，干含量指8 0 下将秸秆 原料干燥至衡重时以绝干物料