【文章內(nèi)容簡介】 畢業(yè)設計（論文）專用紙 5 過程中會產(chǎn)生 的有害副產(chǎn)品，這一問題還未能得到有效解決。元英進等以稻草秸稈為原料，研究了乙醇的加入對不同濃度的硫酸預處理酶解糖化效率的影響。結(jié)果顯示葡聚糖受酸濃度和乙醇的影響很小，而木聚糖隨著酸濃度的升高有明顯降低，并且乙醇的加入使木質(zhì)素隨著酸濃度的升高而顯著降低，說明木質(zhì)素需要通過加酸催化使化學鍵斷裂，而乙醇可有效的溶解木質(zhì)素片段。 堿法預處理，堿法預處理主要是以 NaOH 預處理和氨水預為處理藥品對原料進行預處理。該方法的原理是利用堿性溶液能夠溶解木質(zhì)素的特性，用稀 NaOH 溶液或氨水在一定條件下處理生物質(zhì)原料，破壞其木質(zhì) 素結(jié)構(gòu)，并使木質(zhì)素被溶出，暴露出纖維素，提高纖維素酶的可及性，有助于酶解過程的進行。與酸法預處理相比，堿法預處理的一般條件較為溫和，對設備的要求比酸法預處理要低，且木素脫除率比較高，但是堿對半纖維素的降解作用也很強，導致堿法預處理過程中將近 50%的半纖維素被降解而溶出，因此導致半纖維素和纖維素的損失較大。此外，堿法預處理還有可能產(chǎn)生副產(chǎn)物，影響纖維素酶的活性。因此，未來堿法預處理的研究方向應該要在保證纖維含量的條件下也能達到較好的脫除木素的效果，并且能減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生或者能除掉預處理過程中產(chǎn)生的不利副產(chǎn)物。 有機溶劑預處理，有機溶劑預處理是采用有機溶劑或其水溶液對木質(zhì)纖維素原料進行預處理，而為了增強實驗預處理效果，有時我們會加入適當?shù)拇呋瘎?。有機溶劑預處理，能脫除木質(zhì)素、降解半纖維素，使原料的孔隙率和表而積增加，從而增大了纖維素酶與纖維素的可接觸而積。 乙醇預處理是目前研究比較多的有機溶劑預處理方法。乙醇具有揮發(fā)性大、低毒、易回收利用的特點。目前，將乙醇作為溶劑處理木質(zhì)纖維素原料研究較多的是自催化乙醇處理法和酸催化乙醇處理法。自催化乙醇處理法通常是指除乙醇之外，不添加任何其它化學藥品作為催化劑，而依賴于預處理 的過程中釋放的有機酸 (主要為乙酸 )來提供所需要的酸度的乙醇預處理法，反應溫度通常在 180℃ 210℃之間。酸催化乙醇預處理法是指向體系中直接添加有機酸或無機酸來作為催化劑，從而促進脫木素作用和半纖維素的水解，并且加入酸性催化劑可以降低反應溫度和壓力。 與稀酸預處理相比，有機溶劑預處理過程中能脫除大部分木素，而稀酸預處理雖然能降解大部分半纖維素，但是大部分木素還殘留在原料中，且會在酶解過程中吸附到纖維素酶上，導致有效酶濃度下降，從而降低酶解轉(zhuǎn)化率。因此，與傳統(tǒng)稀酸預處理相比，有機溶劑預處理是比較有優(yōu)勢的方法。 本文實驗研究過程中就是分別使用了自催化乙醇處理法和酸催化乙醇處理法這兩種有機溶劑預處理方法來進行實驗分析。 （ 3） 生物法 生物法是利用 生物 酶或者微生物 來 直接處理原料。目前 使 用 最多 的微生物是褐色和白色腐真菌等， 這些真菌 可以有效地降解木質(zhì)素和半纖維素，特別是一些白腐真菌，已經(jīng) 有研究 證實，針對不同 種類 的木質(zhì)纖維素原料 ， 白腐真菌表現(xiàn)出了很高的去木質(zhì) 素 作用。生畢業(yè)設計（論文）專用紙 6 物法預處理原料 的 研究空間很大，具有不污染環(huán)境、成本較低、有利于 后續(xù) 操作等優(yōu)點。但是，生物法也存在 著 諸多局限， 例 如在預處理 中 以及 其 后續(xù)操作中要 特別 注意雜菌的污染；另外 處 理 所需時間較長，而且重復性也比較差。 （ 4） 多種方法聯(lián)合預處理 每一種預處理方法 各有利弊 。因此，有學者對 多種方法聯(lián)合使 用技術(shù)進行了相關(guān)的分析。 Pang 等 人 利用蒸汽爆破與微波 輻射聯(lián)用技術(shù) (SEM I)處理玉米芯 原料 ，結(jié)果 中 發(fā)現(xiàn)葡萄糖和木糖的酶水解產(chǎn)率得到了 有效 提高 ， 而且 SEM I 技術(shù)對降低 生物質(zhì)原料的纖維結(jié)晶度有著顯著作用。其他的諸如物理 化學方法聯(lián)用技術(shù)，利用微波法處理時，要 先用化學試劑處理原料 ，然后再進行微波處理 ； 利用蒸汽爆破 法處理時 時可以通 入 二氧化硫等可以提高其作用效果 ； 利用微生物處理原料時，可以聯(lián)合使 用有機 溶劑法來提升處理效果等。多種方法聯(lián)合預處理有著廣泛的研究空間，其作用效果有望通過不同方法的結(jié)合來得到有效提升。 水解 水解過程主要是為 了 破壞纖維素、半纖維素大分子結(jié)構(gòu) ,使 其 轉(zhuǎn)化為可 以用于 發(fā)酵的單糖 。目前主要 的水解工藝 有 酸水解和酶水解 兩種，早期的水解工藝就是利用稀酸或濃酸來破壞纖維素晶體結(jié)構(gòu)， 但由于酸水解 比較 容易產(chǎn)生 較多 副產(chǎn)物 ,且 回收和 后 處理都比較難 ,增加了工藝 條件 的復雜性 ,因此酸水解的 發(fā)展具有很大的局限性 。 酶水解的條件 相對 比較溫和 ,過程穩(wěn)定 ,并且 商業(yè)酶溶液的成本已大幅度降低 ,是比較適 用于 促 進生物乙醇商業(yè)化 發(fā)展 的水解工藝 。 纖維素是葡萄糖 基彼此以 1,4β 糖 苷 鍵 連 結(jié) 而成。正是由于 纖維素結(jié)構(gòu)的簡單性 ,決定了其酶水解的簡單性。 影響酶水解的因素有很多 ,主要有酶水解的溫度 ,酶溶液 pH值和水解底物的特性 ,溫度和 pH 值對酶水解過程的影響主要作用于對纖維素酶 活性 的影響 ,一般來說 ,纖維素酶最適溫度范圍為 4565℃ ,最適 pH 值為 。 此外 ,預處理對木素的去除程度和對半纖維素的溶解度對酶解也有很大影響。木質(zhì)素是生物質(zhì)原料中對酶解作用阻礙最大的組成成分，半纖維素與纖維素結(jié)合緊密，因此木素、半纖維素去除越 多，生物質(zhì)中纖維素的酶可及性越大，水解效果越好。纖維素的晶體結(jié)構(gòu)也是影響酶解效果的重要因素，破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)及破壞纖維素長鏈結(jié)構(gòu)，雖然有研究表明晶體結(jié)構(gòu)的破壞對最終酶解產(chǎn)量沒有明顯影響，但是會對提高酶解速率有很大影響。 發(fā)酵 木質(zhì)纖維原料 經(jīng) 過預處理和酶水解 之后，其酶解液中 含有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖以及一些其它纖維素或半纖維素 的 降解物質(zhì) 。 水解液經(jīng)過微生物 的 發(fā)酵 ,可以獲得乙醇 以及一些 小分子有機酸 。 主要的發(fā)酵工藝 過程 有以下 2類 ： (1)分步水解發(fā)酵工藝過程 (separate Hydrolysis and Fermentation,SHF)。 其特點畢業(yè)設計（論文）專用紙 7 是纖維素 需先在一反應器內(nèi)進行 水解 ，然后在另一容器中進行 發(fā)酵過程 ,因此水解與發(fā)酵過程分開進行 ,兩個過程均能 實現(xiàn)最佳的工藝條件 。 但是 水解過程中隨著容器內(nèi)的 水解產(chǎn)物葡萄糖等 越來越多，會 對纖維素酶的活性 產(chǎn)生 抑制作用 ,所以 水解效果也不 太 理想 。該方法 是傳統(tǒng)的生物乙醇制備工藝 。 (2)為 了有效 解決水解產(chǎn)物葡萄糖等對纖維素酶的抑制 作用問題 ,發(fā)展了同步糖化發(fā)酵過程 (simultaneous sacchairfication and Fermentation,SSF)。 SSF 過程的特 點是酶水解和乙醇發(fā)酵 相 結(jié)合 ，在同一反應容器中進行。原料經(jīng) 酶水解的產(chǎn)物一一糖類一生成 ,就 會馬上進行發(fā)酵 ,有效 降低 容器 內(nèi)水解 產(chǎn) 物的濃度 ,促進 了 水解反應的進行 。由于 乙醇對水解反應的抑制作用 比 糖類 小 ,所以 相對 SHF 過程 ,SSF 過程的反應速率 更 快 ，乙醇 產(chǎn)率 更高濃度 更 大 。此外 這一過程還有設備簡單 ,易操作 的 優(yōu)點 。但是該生產(chǎn)過程最大的限制條件即酶水解與發(fā)酵過程的最佳工藝條件不能同時達成，因此其最終產(chǎn)率并非一定比 SHF 大。 本實驗的研究內(nèi)容及意義 本實驗研究內(nèi)容 本實驗是研究以黃豆秸稈為原料生產(chǎn)生 物乙醇的一個重要環(huán)節(jié)。研究的是有機溶劑（ 乙醇 ）預處理黃豆秸稈的最佳工藝條件。即 以黃豆秸稈為原料，研究乙醇預處理中 處理時間 ， 處理溫度以及乙醇濃度對 預 處理后產(chǎn)葡萄糖的影響 。先進行單因子實驗， 分別找到找到三個因素的最適點即中心點，然后以此中心點為基礎以中心組合響應面法找 出預處理產(chǎn)葡萄糖的最佳工藝條件。 同時分別分析不同條件的變化對預處理得率、酶解得率、葡萄糖產(chǎn)率的影響程度。 本實驗研究意義 全世界每年有大量的農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生，其中中國每年大約有 7億噸農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生，這些農(nóng)業(yè)廢棄物通常就地焚燒，這導致了大量 的纖維素資源浪費，同時也導致了嚴重的空氣污染，不符合國家發(fā)展戰(zhàn)略要求。天然纖維原料結(jié)構(gòu)相當復雜，所以酶解時，纖維素酶系與纖維素接觸困難，酶解難度很大。 因此需要在酶水解之前進行必要的預處理 ,以改變天然纖維 原料 的結(jié)構(gòu) ,降低 纖維 結(jié)晶度 ,脫去木質(zhì)素 ,從而提高酶解效率 。 本文實驗研究 選取了 有機溶劑（乙醇） 對 黃豆 秸稈進行預處理 ,并就酶解的糖化效果進行了研究 ,以期 尋找纖維 素在酶解轉(zhuǎn)化為葡萄糖等糖類物質(zhì)的最佳預處理工藝條件，促進其產(chǎn)業(yè)化進程 。 預處理技術(shù)作為木質(zhì)纖維轉(zhuǎn)化為 其他資源 的關(guān)鍵步驟 ,是 科研工作者關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)的化學 處理、機械處理技術(shù)等耗能較多 ,且不同程度地存在環(huán)境污染 。但是乙醇預處理在反應過程中可以不以任何化學藥品為催化劑，而依賴于乙醇預處理過程中釋放的酸提供所需的酸度，及乙醇自催化；或只加入極少量的稀酸溶液作催化劑。此外，乙醇可以簡易回收循環(huán)使用，較好地解決了減法廢液的污染問題。 畢業(yè)設計（論文）專用紙 8 黃豆秸稈酶解糖化產(chǎn)得的糖是轉(zhuǎn)化為生物乙醇的重要資源，秸稈的纖維素資源（農(nóng)業(yè)廢棄物）的合理開發(fā)利用轉(zhuǎn)化為人類需要的資源，不僅使資源得到合理化應用，而且能避免環(huán)境污染，能夠為人類和自然帶來更好的利益。因此尋找酶解轉(zhuǎn)化之前預處理的最佳工藝條件是秸稈資源實現(xiàn)合理的產(chǎn)業(yè)化應用的重要一步。 畢業(yè)設計（論文）專用紙 9 二．實驗方法與過程 實驗原料與儀器準備 實驗原料 實驗原料：玉米秸稈 （山東某廠） 表 化學試劑一覽表 藥品名稱 純度級別 生產(chǎn)廠家 苯 分析純 國藥集團化學試劑有限公司 95%乙醇 分析純 國藥集團化學試劑有限公司 無水乙醇 分析純 國藥集團化學試劑有限公司 無水醋酸鈉 分析純 國藥集團化學試劑有限公司 乙酸 分析純 國藥集團化學試劑有限公司 濃硫酸 分析純 國藥集團化學試劑有限公司 酶粉 分析純 武漢中南生物酶制劑有限公司 除以上試劑外，試驗中還使用到了實驗室自己配制的 DNS 溶液，測定其標準曲線為Y=。 實驗設備及儀器 表 實驗設備一覽表 型號 名稱 生產(chǎn)廠家 FZ102 微型植物粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司 360 傅里葉紅外光譜儀 美國 Thermo Nicolet 公司 9060 不銹鋼電熱蒸餾水器 上海市博訊事業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠 KQC 玻璃儀器氣流烘干器 鞏義市予華儀器有限責任公司 AL 204 電子分析天平 梅 特勒 托利多儀器（上海）有限公司 DF101S 集熱式加熱磁力攪拌器 鄭州長城科工貿(mào)有限公司 SHZD(Ⅲ ) 循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責任公司 ZHWY2112B 恒溫培養(yǎng)振蕩器 上海市智誠分析儀器有限公司 UV2550 紫外可見分光光度計 日本 SHIMADZU 公司 此外還有真空干燥箱、熱風烘箱、 13ml 小鋼罐、電爐、液槍等。 主要玻璃儀器有： 索氏提取器， 500ml、 5