木质纤维素高效酶解过程研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 杨茂华 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2011-05-30 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 邢建民 |
| 关键词 | 木质纤维素 吸附规律 酶固定化 吐温-80 酶解工艺 |
| 其他题名 | Development of efficient hydrolysis process of lignocellulosic biomass |
| 学位专业 | 生化化工 |
| 中文摘要 | 木质纤维素资源因具有来源丰富、可再生并可转化为多种化工产品等优点而备受瞩目。在木质纤维素的众多利用途径中，生物发酵法的反应条件温和、产物得率高、对设备要求低，是目前国内外研究的热点。该转化方法的关键步骤是将木质纤维素酶解为可发酵糖。目前的酶解工艺存在酶解液糖浓度过低、纤维素酶用量大等问题，严重影响木质纤维素利用的产业化。本论文旨在通过采用研究酶解过程、优化酶解工艺等手段，达到提高酶利用率、糖浓度，以及降低酶解成本的目标。首先，建立了酶解液中纤维素酶活力快速测定方法。该方法采用超滤离心技术使水解糖与酶蛋白有效分离，通过测定上清中酶活力变化分析各种酶组分吸附-解吸附规律。实验发现应选择截留分子量为10 KDa的超滤膜，超滤离心管使用前用5%吐温-80进行钝化处理，且超滤过程需重复2次。将建立的方法用于处理酶解液模拟体系，可使葡萄糖的去除率达到98%以上，滤纸酶活（FPU）和β-葡萄糖苷酶酶活（CBU）的保留率分别达到92%和96%以上。最后以滤纸酶解液证明超滤离心法在处理实际酶解体系中完全可行。其次，研究了汽爆秸秆、稀酸预处理秸秆和碱-汽爆联合预处理秸秆酶解过程中各酶组分的吸附规律。对基本酶解条件考察后确定了，酶解pH为4.8-5.0；FPU与CBU的最适比例为1:1。在以5%（w/v）的底物浓度，20 FPU+20 CBU/g底物的酶用量酶解三种底物时，β-葡萄糖苷酶的活力始终存在于酶解液的上清中，而内、外切葡聚糖酶酶活力在上清中会表现出先降低后增加的规律。酶解结束时，约有90% CBU和60% FPU存在于上清中。再次，研究了两种提高酶利用率的方法。（一）酶固定法。本研究采用SiO2包附的Fe3O4纳米磁性颗粒作为β-葡萄糖苷酶的固定化载体。实验发现酶固定化过程的最优pH为5.0，初始酶蛋白浓度为2.0 mg/ml，磁性颗粒的最大载酶量约为40 mg/g。固定化后β-葡萄糖苷酶的温度耐受性在60℃时有明显提高，最佳pH由5.0移至5.5左右。将固定化β-葡萄糖苷酶应用到汽爆秸秆的酶解体系中，固定化酶可以实现快速回收和循环利用。（二）添加剂法。实验中比较了吐温-80、聚乙二醇4000、BSA对酶利用率的影响，发现吐温-80和聚乙二醇4000的效果要明显优于BSA，而且三种添加剂间没有明显的协同效应。其中，吐温-80对羧甲基纤维素的酶解没有促进作用，但是可使滤纸和微晶纤维素的酶解率提高24.9%和83.2%。分析发现吐温-80可以减少β-葡萄糖苷酶在纤维素底物上的非特异性吸附。吐温-80在高转速下可使纤维素的转化率由35%升至47%，分析发现吐温-80可以减弱内、外切葡聚糖酶在与底物相互作用中引起的失活。最后，建立了高糖浓度、低酶用量的秸秆酶解工艺。本实验选用分批补料、分批补酶的工艺，初始底物浓度为12%，酶解12小时和24小时（36小时）后分别补料6%，同时补加10FPU/g底物的粗酶粉，经过60小时酶解，汽爆秸秆、稀酸预处理秸秆和碱处理汽爆秸秆酶解液中的葡萄糖浓度分别达到79.3g/L、91.3g/L、122.3g/L。与单批酶解相比，纤维素酶和β-葡萄糖苷酶用量分别下降了25%和50%。 |
| 英文摘要 | Lignocellulose has attracted a great of attentions because it is an abundant renewable resource and can be converted to various chemical products. In the numerous utilization methods, biological fermentation of mild operating conditions, high conversion rate and low demands on equipments, is becoming the focus at home and abroad. Conversion of lignocellulose to fermentable sugars is the key step in this approach. At present some problems still exist in the hydrolysis process, such as low sugar concentration and high enzyme loading. These problems greatly limit the industrialization of lignocellulose utilization. This thesis aims to improve the enzyme efficiency, sugar concentration and reduce the enzyme cost through researching and optimizing the hydrolysis process. |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-23 |
| 页码 | 139 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1692]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨茂华. 木质纤维素高效酶解过程研究[D]. 中国科学院研究生院. 2011. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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