高温水热预处理对木质纤维素及其酶解的影响研究进展

木质素是木质纤维素的重要组成成分之一,能抑制木质纤维素的酶解,会在木质纤维素高温水热预处理过程中发生降解、重组等反应。假木质素是木质素的结构类似物,是木质纤维素在高温水热预处理过程中由碳水化合物经降解、氧化和聚合等复杂反应而形成。木质素和假木质素都能够抑制纤维素酶活性,降低木质纤维素的酶解转化率。文章综述了高温水热预处理过程中木质素的结构变化及假木质素的生成机理,探讨了降低木质素和假木质素对纤维素酶解影响以及减少假木质素生成的途径,为提高木质纤维素酶解转化率,促进工业化应用提供了参考。     

酸碱预处理后玉米秸秆的酶解工艺优化

对玉米秸秆进行酸碱预处理,在单因素实验基础上,以还原糖转化率为影响值设计正交实验,研究温度、pH值、液固比、酶浓度及酶解时间5因素对纤维素酶解过程的影响。得出玉米秸秆酶解最佳工艺条件为:温度48℃、pH值4.6、液固比20、酶浓度55 U/g;酶解时间44 h。在此工艺条件下还原糖转化率达到80.97%。结合红外光谱对秸秆中各组分特征基团分析表明,膨化后的玉米秸秆酶解的纤维素基团特征峰变化更为明显。     

卧式酶解罐用于预处理玉米秸秆水解研究

利用卧式滚筒酶解罐、立式搅拌酶解罐和卧式搅拌酶解罐分别对预处理玉米秸秆(PCS)进行水解研究,分析了酶解过程中p H、密度、总固体(TS)含量、纤维素含量(TC)、不可溶性总固体含量(FIS)、葡萄糖含量和木糖含量的变化趋势。卧式滚筒酶解罐用于TS含量较高的PCS酶解时,反应物容易粘附在反应桶内壁,不利于酶解有效地进行,138 h水解产生的葡萄糖含量为8.6%,低于立式搅拌酶解罐120 h水解产生的葡萄糖含量11.4%。而卧式搅拌酶解罐用于TS含量(25%)较高的PCS酶解时,120 h水解产生的葡萄糖含量为7.43%,比相同TS含量的立式搅拌酶解罐中葡萄糖含量高出0.26%。研究表明,3种酶解罐中,卧式搅拌罐更适合用于PCS的酶解。采用卧式搅拌酶解与同步糖化发酵耦合过程,TS含量为25%条件下,发酵液中乙醇含量可达到3.58%,纤维素水解率为76.8%。     

微波辅助NaOH预处理提高油菜秸秆酶解效率的研究

为提高油菜秸秆的酶解效率,试验借助于常压微波加热技术辅助NaOH预处理,并对处理条件进行了优化。结果表明,与未处理比较,经微波预处理的油菜秸秆致密结构明显破坏,利于被纤维素酶水解。微波辅助预处理的最优化条件:微波功率600 W,时间5 min,NaOH 0.1 mol/L,温度80℃,经预处理后的油菜秸秆酶解率可达28.09%,较未处理前增加2.75倍,显著提高了酶解效果。     

超声波预处理对秸秆发酵的影响

以秸秆为研究对象,在37℃条件下对不同的超声波强度和工作时间预处理的秸秆进行为期50 d的厌氧发酵试验,分析发酵过程中产气效率、累计产气量、pH值、CH4浓度等参数变化,并对秸秆微观结构进行电镜扫描,研究超声波预处理对秸秆微观结构的破坏以及厌氧发酵产气特性影响。试验结果表明:超声波预处理能提高秸秆发酵累计产气量和产气效率,平均单位日产气量由未经预处理的4.54 ml/(g.d)提高到经超声波处理后的6.86 ml/(g.d),提高了51.10%;超声波预处理对秸秆发酵pH无显著影响;沼气中平均甲烷浓度由未经预处理的43.83%提高到处理后的47.86%;最佳超声波预处理功率为225 W,处理时间为30 min。     

机械活化预处理对蔗渣酶解产糖影响的研究

采用机械活化方法对蔗渣进行预处理,研究其对蔗渣酶解产糖的影响。用红外光谱、X-射线衍射和扫描电镜测定预处理前后蔗渣结构及表面形态的变化,并分析其作用机理。研究结果表明,机械活化用于蔗渣预处理,可明显提高预处理后蔗渣的酶解产糖率。酶解时间为48 h时,蔗渣酶解产糖率从未处理时的19.86%提高到59.34%。蔗渣酶解产糖率的提高是由于机械活化处理使得蔗渣纤维素分子间部分氢键发生断裂、结晶度下降、表面有序结构被破坏的所致。     

不同预处理对玉米芯酶解特性和形态结构的影响研究

研究了硫酸、氢氧化钠、双氧水和碱性双氧水预处理玉米芯对其纤维素酶解率的影响,并利用扫描电镜、红外光谱仪和X射线衍射仪分析处理前后的玉米芯显微结构、官能团和结晶性。结果表明,4种预处理方法对玉米芯结构都有不同程度的破坏,能够有效提高玉米芯的酶解产糖率;其中含有1.5%氢氧化钠的碱性双氧水预处理玉米芯,酶解率最高为46.08%,玉米芯质量损失率为29.84%;预处理后木质素特征峰基本消失,玉米芯的结晶指数和结晶度显著提高,分别为1.527和49.35%。     

碱液预处理对柠条锦鸡儿茎理化结构及酶解的影响

为了解析碱液预处理对柠条锦鸡儿茎理化结构及酶解的影响,实现柠条锦鸡儿的高值化利用,文章比较了柠条锦鸡儿叶和不同径级茎的可消化性,并分析了NH3·H2O,Ca(OH)2和NaOH预处理对柠条锦鸡儿茎的化学组分、化学基团、结晶度、孔径分布和酶解还原糖得率的影响。研究结果表明：柠条锦鸡儿叶和细茎（直径<0.5 cm）是优良的饲用原料;碱液预处理能够降解柠条锦鸡儿茎中的半纤维素和中性洗涤物,能够断裂木质素与半纤维素间的酯键以及木质素间的醚键;随着化学结构的改变,柠条锦鸡儿茎的致密结构被破坏,孔隙率增大,纤维素结晶区暴露;与对照组相比,NH3·H2O,Ca(OH)2和NaOH预处理后的酶解还原糖得率分别提高了66.68%,17.91%,93.12%。碱液预处理能有效改变柠条锦鸡儿茎的理化结构,提高酶解还原糖得率,是柠条锦鸡儿等荒漠灌木的理想预处理方式。     

竹材碱性过氧化氢预处理及其酶水解性能研究

采用碱性过氧化氢（AHP）体系对慈竹进行预处理,研究过氧化氢（H₂O₂）用量对竹材化学组分及酶水解得率的影响。利用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析预处理前后物料的物理和化学结构变化,采用二维核磁共振技术研究预处理物料中剩余木质素的化学结构。结果表明：AHP预处理过程中,随着H₂O₂用量（质量分数）的增加,竹材的葡聚糖含量（相对质量百分比）先增加后减少,木聚糖含量基本不变,而木质素含量整体呈减少趋势。AHP预处理能显著提升竹材的酶解效率,在纤维素酶用量为15 FPU/g葡聚糖,H₂O₂用量为7.0%时,预处理竹材的酶水解性能最高,葡聚糖和木聚糖酶水解得率分别为93.9%和100%。研究发现,慈竹木质素脱除率在H₂O₂用量达到2.0%后趋于稳定,为68.8%,继续增加H₂O₂用量,木质素脱除率无明显提升,对预处理竹材中剩余木质素进行2D-HSQC核磁分析,这部分难以脱除的木质素的化学结构为：64%的S单元、33.7%的G单元和61.6%的β——O——4键,其中S/G值为1.90。     

蒸汽爆破预处理中影响酶解效果因素的研究

为提高秸秆蒸汽爆破预处理制乙醇的酶解率及经济效益,研究了蒸汽爆破预处理过程中影响酶解效果的物料温度、喷爆出口直径、汽爆次数等因素,以寻找提高酶解效率的方法。试验结果显示,物料温度对酶解效果有显著影响,在不破坏纤维素结构且不产生酶解抑制物的前提下,温度越高越有利于水解;在不致堵塞喷爆口的前提下,喷爆出口直径越小酶解效果越好;汽爆次数对于酶解物料预处理效果有着显著的积极影响。     

稻草秸秆辐照酶解工艺优化

通过采用60Co-γ辐照处理稻草秸秆,提高稻草秸秆的酶解效果。采用离子色谱仪测定稻草秸秆酶解液中可发酵性糖的含量,对水解温度、加酶量、液固比、水解时间4个因素进行单因素试验分析,对稻草秸秆酶解条件进行优化,建立稻草秸秆辐照酶解新工艺。研究结果表明,稻草秸秆辐照剂量在0～2 000 kGy内,辐照预处理最佳剂量为1 200 kGy;得到稻草秸秆最优辐照酶解条件:预处理辐照剂量为1 200 kGy、水解温度为45℃、水解时间为36 h、液固比为60、加酶量为120 U/g。在此最佳条件下,稻草秸秆纤维素、半纤维素总转化率达71%。     

预处理对秸秆废弃物沼气发酵的影响研究

研究了预处理对典型秸秆废弃物沼气发酵的影响。与豆秆和棉秆相比,木质素含量相对较低的玉米秆产气速率和沼气产率更高。碱处理缩短了产气高峰出现的时间,峰值也得到提高,这可能与预处理增加的可溶性组分的快速降解有关。经过几天的低产气期,又出现第二个小产气高峰。组分分析表明,碱处理去除大量木质素,纤维可及度得到提高,这是第二阶段产气得到加强的原因。最终,玉米秆、豆秆和棉秆的最高沼气产率分别达415,343 ml/g TS和298 ml/g TS,比未处理秸秆提高34%,54%和86%。结果表明,预处理豆秆和棉秆产气性能较好,可与玉米秆一样,作为沼气发酵的优良原料。     

玉米秸秆预处理对厌氧发酵制氢影响的研究

为提高玉米秸秆的产氢能力,实验研究了蒸汽爆破预处理、硫酸预处理、氢氧化钠预处理、盐酸预处理和酸化(碱化)气爆预处理5种预处理方法对玉米秸秆发酵产氢能力的影响。结果表明,预处理可以将秸秆中相当一部分纤维素和半纤维素水解生成还原糖,其中质量分数为0.8%的H2SO4酸化汽爆预处理对秸秆的水解效果最好。在固-液比1∶10、H2SO4质量分数0.8%、保持微沸状态30min的处理条件下,秸秆的糖含量达到最大值24.57%,最大氢气产量为141mL/g。     

水热预处理方式对玉米秸秆水解液特性的影响

研究水热预处理放料方式和水解液循环回用对玉米秸秆水解液成分的影响,以提高玉米秸秆水解液浓度,特别是半纤维素衍生糖的浓度。在温度170℃和时间40 min的水热预处理条件下,有56.08%半纤维素溶出,其中低聚木糖约占总溶出木糖类的90%。水解液的循环回用可提高水解液中糖类物质和木素的浓度,同时糠醛、羟甲基糠醛、乙酸、甲酸等发酵抑制物浓度亦增加,回用次数和回用比例对水解液中化学成分含量均有影响,100%浓水解液回用比100%水预处理时低聚木糖浓度提高了37%。水热预处理后的放料方式对水解液也有影响,放汽法得到的水解液中低聚木糖浓度高,比降温法提高了53%,有利于低聚木糖的提取利用。     

蒸汽爆破预处理对玉米芯酶水解的影响

采用不同的蒸汽爆破条件对玉米芯进行预处理,研究蒸汽爆破对玉米芯理化性质和酶水解的影响。结果表明:蒸汽爆破条件为1.4 MPa,300 s时,玉米芯酶水解液中总糖浓度最高为58.17 g/L。蒸汽爆破预处理主要引起半纤维素大量降解,但过高的压力或过长的保压时间会使木糖进一步降解,从而使玉米芯水解糖得率降低。X-衍射结果表明:经1.4 MPa,300 s蒸汽爆破的玉米芯结晶度由对照的24.49%提高到43.09%。由扫描电镜可知,蒸汽爆破可提高玉米芯的孔隙度和表面积,从而提高酶水解效率。     

组合碱预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响

为提高玉米秸秆厌氧消化的产气量及产气效率,采用不同质量分数的组合碱(质量比为2∶1的NaOH和Ca(OH)2)对其进行预处理,经过3 d的预处理后,考察组合碱对玉米秸秆成分及厌氧消化产沼气的影响。结果表明,组合碱预处理能有效缩短消化启动时间,并不同程度提高秸秆的产沼气能力。其中质量分数为3%的组合碱处理组产气状况最好,消化60 d后的总产气量可达24035 m L,日均产气率为400.58 m L/d,总固体产气率、挥发性固体产气率分别为358.73 m L/g和369.77 m L/g,在相应的厌氧消化时间内有效提高了玉米秸秆的厌氧消化效率。     

不同预处理方式对秸秆厌氧消化特性的影响

研究粉碎、青贮和揉搓3种预处理方式对玉米秸秆厌氧消化消化特性的影响。研究结果表明:预处理方式对秸秆厌氧消化的启动、物质转化、产气效率和滞留期均会产生一定影响。青贮处理水解酸化速率最快,原料降解效果最好,启动ATP浓度最大为1572 nmol/L,初始VFAs浓度最高,分别是粉碎处理和揉搓处理的31.31倍和35.27倍;粉碎处理产气效果最好,经49 d厌氧消化后,粉碎处理的单位TS累计产气量最大为323.76 m L/g,分别是青贮处理和揉搓处理的1.25倍和1.10倍。     

高温液态水预处理园林废弃物提高酶解率

为探寻园林废弃物的能源化再利用潜力,以红花羊蹄甲树枝和台湾草废弃物为原料,采用高温液态水预处理方法进行工艺优化研究,以提高其酶解率。结果表明:红花羊蹄甲树枝的最优P因子为1233,台湾草废弃物的最优P因子为153,此时总木糖收率分别为85.48%和68.40%,总糖收率分别达到87.84%和86.31%,72 h酶解率分别由原料的43.99%和55.94%提高到81.25%和87.27%,其中台湾草废弃物比红花羊蹄甲树枝在预处理前后都更易酶解。高温液态水预处理过程脱除了大量半纤维和部分木质素,显著改变了物料表面平整结构,增大了比表面积和纤维素结晶指数,这些变化有助于后续酶解。