油棕空果殼預處理、糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇及預處理機制的研究.pdf

1、油棕樹原產(chǎn)于非洲和美洲，19世紀被引進到亞洲，主要產(chǎn)地分布在馬來西亞，印度尼西亞等，其數(shù)量占全球油棕分布的85％以上。油棕樹的木質(zhì)纖維素包括枝干，葉子，果皮以及分離出油棕果后剩下的空果殼(empty fruit bunch，EFB)，其中EFB是棕櫚油生產(chǎn)工業(yè)中最主要的木質(zhì)纖維素廢料，EFB中含有比較高的葡聚糖(35-50％)和木聚糖(10-20％)。之前，EFB的處理方式是直接在原地自分解或者是燃燒處理產(chǎn)生粉末做肥料用，這不僅是對資源

2、的極大浪費，也對環(huán)境造成了很大程度的污染。近些年來，由于EFB具有原料成本低廉，木質(zhì)纖維素含量較高，年產(chǎn)量大等特點，被很多學者認為是生產(chǎn)生物乙醇的一種低成本可循環(huán)利用的原料。一些學者研究了堿法、氨堿法以及酸堿法結合等方法對EFB進行預處理生產(chǎn)生物乙醇的可行性，但經(jīng)過這些方法預處理后EFB的轉(zhuǎn)化率都比較低。基于以上背景，本論文擬采用不同方法對EFB進行預處理，希望找到一種能夠有效提高EFB纖維素酶解轉(zhuǎn)化率的預處理方法，進而通過發(fā)酵將其高效

3、率轉(zhuǎn)化成乙醇，并對其預處理機制進行研究，同時對EFB生物精煉的工藝進行探討。本論文的主要研究內(nèi)容和結果如下:
　　1.EFB預處理、糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇及亞硫酸鹽法預處理廢液再利用的初步探索
　　對原料EFB進行了一系列化學法預處理，包括濕氧化法(WO)，氧堿法(OA)和亞硫酸鹽法預處理，通過對預處理后的固形物進行低底物濃度(2％)條件下酶解性能的比較，證明亞硫酸鹽法預處理EFB的效果最好，且最佳的預處理條件為:NaHSO3用量

4、8％，H2SO4用量1％，反應溫度180℃，反應時間30 min，固液比1∶4，在此反應條件下，以預處理前絕干原料為基準計算，纖維素酶解72 h時葡萄糖得率為0.318 g/g EFB。在最佳亞硫酸鹽預處理條件預處理后，利用得到的EFB不溶性固形物進行高濃半同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，發(fā)現(xiàn)18％的底物濃度為最佳反應濃度，在此底物濃度下發(fā)酵160 h，乙醇濃度達到52g/L，乙醇產(chǎn)率為0.325g/L/h，為理論產(chǎn)量值的95％。
　　基于

5、生物精煉方面考慮，進一步探討了利用亞硫酸鹽預處理廢液生產(chǎn)有價值產(chǎn)品的可行性，以實現(xiàn)生物質(zhì)價值的最大化。首先探索了直接利用亞硫酸鹽預處理液制備糠醛的可能性，優(yōu)化出制備糠醛的最佳反應條件為:H2SO4用量0.75％，反應溫度180℃，反應時間25 min。反應后，糠醛的濃度達到18.8 g/L，轉(zhuǎn)化率達到82.5％。其次，通過不同的方法對預處理液進行處理和分離，發(fā)現(xiàn)選擇大孔吸附樹脂DM130，基本達到了將糖組分與木素磺酸鹽組分有效分離的要求

6、，為后續(xù)進一步分別生產(chǎn)糖和木素產(chǎn)品奠定了基礎。
　　2.亞硫酸鹽預處理后EFB的組成和結構變化分析
　　采用X-射線衍射，掃描電子顯微鏡(SEM)，紅外光譜(FT-IR)和比表面積測定等一系列分析檢測手段，分析和比較了預處理前后原料EFB在纖維素結晶度，外比表面積，內(nèi)比表面積以及功能基團等方面的變化。
　　結果表明，亞硫酸鹽預處理之后纖維素結晶度從62.3％提高到74.4％，氫鍵強度從4.75下降到3.24。SEM結果

7、顯示，亞硫酸鹽預處理之后EFB表面受到嚴重的破壞，有明顯的裂痕孔洞的出現(xiàn)，結構也變得疏松，而且有細小纖維的產(chǎn)生。亞硫酸鹽預處理之后原料的BET比表面積(從0.99增加到1.18)、累計孔體積和平均孔直徑都有所增加。同時，物料大于50 nm大孔的孔體積在亞硫酸鹽預處理之后比原料有很大程度的增加。分別對亞硫酸鹽法、氧堿法和稀酸法預處理后上述指標的變化進行了比較分析，以進一步說明亞硫酸鹽法在EFB預處理過程中的不同反應機制。
　　3.亞

8、硫酸鹽預處理前后EFB微觀結構變化及纖維素酶酶解過程中細胞壁結構交化規(guī)律研究
　　通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡的觀察分析，發(fā)現(xiàn)原料EFB主要是由厚壁細胞、薄壁細胞、導管和表皮細胞等組成。亞硫酸鹽預處理后EFB的整體結構遭到破壞，由于藥液的滲透和作用使得厚壁細胞之間發(fā)生脫離，部分細胞壁遭到破壞，甚至發(fā)生斷裂。研究發(fā)現(xiàn)，亞硫酸鹽預處理之后，EFB的纖維變短，寬度稍有減小，細小纖維含量大幅增

9、加。
　　對亞硫酸鹽預處理后EFB細胞壁結構在纖維素酶酶解過程中的變化規(guī)律進行了初步研究，觀察結果表明EFB在酶解1h之后大部分細胞壁就開始降解，隨著時間的延長，細胞壁的降解加重，在酶解反應5h之后基本達到最大值，大部分的細胞壁發(fā)生降解，再增加反應時間并沒有明顯的降解發(fā)生。
　　4.亞硫酸鹽預處理對EFB半纖維素和木素性質(zhì)的影響研究
　　為了進一步研究亞硫酸鹽預處理過程中對EFB的作用，從亞硫酸鹽預處理前后的樣品中提純

10、半纖維素和磨木木素（milled wood lignin，MWL），通過一系列的分析手段，分析亞硫酸鹽預處理前后半纖維素和MWL發(fā)生的變化。結果顯示，EFB的半纖維素組分是以木聚糖為主鏈的，在預處理之后有部分的烷基暴露出來，以及半纖維素中形成一部分酯鍵。在亞硫酸鹽預處理過程中原料中木質(zhì)素發(fā)生的反應有:脫除木質(zhì)素的過程中苯基丙烷和羥基丙烷（Cα和Cγ）酯化反應的發(fā)生;紫丁香基，縮合型愈創(chuàng)木基等基團的降解或者溶出;甲氧基的去除等。