利用纤维原料在串联式生物反应器中协同酶解发酵乳酸

采用廉价的纤维素原料代替粮食发酵生产乳酸,具有重要的社会意义和经济价值。在串联式生物反应器中,将纤维原料酶水解与固定化乳酸杆菌发酵相耦联,纤维素的酶解产物葡萄糖被有效转化成乳酸,纤维素对乳酸的转化率和乳酸产率分别为70.3%和0.713g?(L?h)?1。在酶解体系中添加纤维二糖酶可以提高酶解得率。将酶解罐、固定化纤二糖酶柱和固定化细胞柱相串联,可有效消除纤维二糖积累所造成的反馈抑制作用,纤维素对乳酸的转化率和乳酸产率分别提高到90.6%和0.986g?(L?h)?1。串联式生物反应器性能稳定,在重复分批发酵工艺中,连续10批纤维素对乳酸的转化率平均为89.6%。采用分批添料工艺,纤维底物的终浓度可增加到200g?L?1,发酵终点的乳酸浓度达105.2g?L?1,乳酸产率为1.315g?(L?h)?1。对等量底物而言,反应时间明显缩短,同时纤维素酶的利用率也得到了有效提高。     

乳酸发酵法精制无患子皂素水提液的研究

以无患子果皮皂素水提液作为底物,经过纤维二糖酶、甘露聚糖酶和果胶酶糖化,将皂素水提液中的纤维二糖降解为葡萄糖,再进行乳酸发酵,得到无患子皂素和乳酸的复合溶液。糖化过程中,纤维二糖经过酶解质量浓度由46.37 g.L-1下降到0 g.L-1,果胶酶的加入可提升糖的转化率。在发酵过程中,未添加发酵培养基时,乳酸菌可利用皂素水解液中的糖来自身发酵,乳酸产率为69.92%;在添加无机盐培养基时,乳酸产率为76.66%;添加酵母膏培养基发酵时,葡萄糖和甘露糖完全消耗,乳酸产率为88.42%。在糖化和发酵的过程中,无患子皂素溶液的表面张力在一定范围内有小幅度波动,总体保持稳定。     

碱性臭氧预处理对稻草秸秆酶水解的影响

以稻草秸秆为原料经碱性臭氧预处理后进行酶水解,研究了处理前后稻草秸秆半纤维素、纤维素、木质素含量的变化,通过测定酶水解还原糖含量来判断预处理的效果。结果表明,碱性臭氧预处理与碱预处理相比,在稻草秸秆木质素含量与降解上没有什么差异,但酶水解糖化效果更优。经O3/2%NaOH预处理过的稻草秸秆,在pH值5.0、酶用量31.2mg.（g底物）-1、45℃条件下酶水解120h时,还原糖含量达到了902mg.（g稻草秸秆）-1,糖化率达到了92.57%。     

木质纤维生物质同步糖化发酵(SSF)生产乙醇的研究进展

综述了有关木质纤维生物质原料同步糖化发酵生产乙醇的最新研究进展和未来发展方向:同步糖化发酵是一种用于从木质纤维原料生产乙醇的工艺过程,此工艺的优点是酶水解与发酵同时进行,可以减少最终产物对酶水解的抑制作用,并减少投资成本,是最具发展潜力和优势的工艺之一。近年来在优化预处理工艺、降低纤维素酶成本以及己糖戊糖协同发酵等方面的研究都取得了长足的进步,其中以小麦秸秆为原料进行同步糖化发酵所得到的乙醇浓度接近40g/L。     

纤维素酶水解纤维素类废弃物的研究

研究了纤维素酶水解纤维废弃物的适宜条件。研究结果表明,在底物浓度80 g/L,pH 4.8,酶解温度50℃,酶用量100 IU/g(对底物),酶解时间60 h条件下,处理纤维废弃物,可以得到较高的还原糖浓度,酶解液还原糖浓度可达到16.44 mg/mL,酶解液及残渣可分别进一步加以利用。     

β-葡萄糖苷酶高温同步糖化发酵产乙醇应用研究

利用Trichoderma sp.W2所产的嗜温耐乙醇β-葡萄糖苷酶及耐高温酵母Kluyveromyces marxianus NCYC 587,以气爆秸秆为原料进行高温同步糖化发酵。研究结果表明:在42℃条件下,接种体积分数10%,底物质量分数15%,发酵pH值为4.8,β-葡萄糖苷酶添加量为30 U/g底物条件下发酵效果最好。NCYC 587能迅速利用预水解产生的葡萄糖发酵并积累乙醇,同时能利用部分木糖,但在发酵后期,葡萄糖利用完全后会代谢利用一定量的乙醇,致使发酵过程中乙醇质量浓度始终维持在一个相对较低的水平。乙醇最高质量浓度达到20.56 g/L,乙醇产率达80.64%。添加嗜温耐乙醇β-葡萄糖苷酶于高温同步糖化发酵能有效解决纤维素酶解发酵过程终端产物抑制的难题。     

糠醛渣纤维乙醇同步糖化发酵过程研究

以过碱化处理的糠醛渣为原料,采用正交试验法进行同步糖化发酵(SSF)转化乙醇工艺条件及过程研究.通过考察反应温度、pH、纤维素酶用量和表面活性剂浓度来优化同步糖化发酵转化工艺条件.在正交优化条件基础上,进行了5 L发酵罐试验,并同步分析表征了发酵过程中还原糖浓度、乙醇浓度、酵母细胞数、纤维素含量及其结构变化.同步糖化发酵转化糠醛渣生成乙醇的优化条件为:反应温度38℃,pH 4.2,纤维素酶用量20 FPU/(g纤维素),吐温-20质量分数0.15%,酵母接种量10%.发酵罐中同步糖化发酵糠醛渣生成乙醇的转化率达到72.33%,过程分析表明反应时间为27 h时,糠醛渣糖化发酵产乙醇的转化率达到最高,比其他纤维原料的反应转化时间大大缩短.同步糖化发酵过程中,糠醛渣纤维素含量逐步降低,纤维索表观结晶度呈下降趋势,纤维素微晶尺寸减小.     

表面活性剂对麦草同步糖化发酵转化乙醇的影响

研究了5种非离子型表面活性剂(BSA, Tween-20, Tween-80, PEG-4000, PEG-6000)促进麦草同步糖化发酵的效果. 结果表明,5种表面活性剂均能促进麦草同步糖化发酵,以Tween-20效果最为显著. 反应体系中添加Tween-20可降低酶用量而保持乙醇浓度基本相同. 在pH 5.0、温度37℃、底物浓度50 g/L及Celluclast 1.5 l用量25 FPU/g、Novozym 188用量15 IU/g的反应体系中,添加0.03 g/g Tween-20,反应72 h,乙醇浓度达到18.7 g/L,比未添加表面活性剂的体系提高了14.0%,反应时间缩短了12 h.     

木薯渣超低酸预处理后的酶水解及乙醇发酵

为提高木薯渣的酶解糖化效率,降低原料处理成本,采用超低酸(ULA)对木薯渣进行预处理,并对预处理后的木薯残渣(CR_(ULA))进行纤维素酶酶解糖化,同时探究木薯残渣附着酶的再利用以及回用过程抑制物的累积对发酵产乙醇的影响。结果表明,CR_(ULA)采用70 FPU/g_(底物)纤维素酶水解12 h后,获得47.22 g/L葡萄糖和60.61 g/L总糖。附着于CR_(ULA)上的纤维素酶循环利用5次,纤维素酶添加量从70 FPU/g_(底物)(RUN 1)下降到42 FPU/g_(底物)(RUN 5),节省了40%的新鲜酶,RUN 5的葡萄糖和总糖浓度分别为48.00 g/L和60.92 g/L。RUN 1和RUN 5的酶解液分别用于乙醇发酵,得到乙醇浓度和得率分别为21.67 g/L和0.46 g/g_(葡萄糖)、21.52 g/L和0.45 g/g_(葡萄糖),与葡萄糖培养基所得结果接近。附着酶再利用过程中抑制物乙酸、5-HMF和糠醛浓度有累积增加,而甲酸无明显的变化。由物料衡算可知,木薯渣经ULA预处理及酶水解后,葡萄糖得率为80.64%,乙醇产率为13.84%。     

碳源对平菇选择性降解稻草木素及其后续酶解性能的影响

前期研究发现,平菇预处理稻草表现出比较好的脱木素选择性和纤维素酶水解效果。为了使预处理后的稻草在纤维素酶水解过程中得到更多的单糖,通过向平菇预处理稻草固体培养基中添加麸皮、玉米皮和木聚糖,研究外加碳源对平菇降解稻草木素的选择性及后续酶水解效果的影响。结果表明,添加适量的麸皮和木聚糖可提高平菇处理稻草的脱木素选择性。麸皮和木聚糖添加量为稻草粉的10%时,脱木素选择系数分别由对照的1.86增加至2.58和2.03;预处理样品酶解后原料中总糖的46.8%和45.9%转化为可发酵单糖,分别比对照的35.5%提高了30%和28%。添加玉米皮对平菇预处理酶解效果影响相对较小,添加量为5%时,预处理样品酶解后总糖转化率仅比对照提高15%,增加添加量酶解总糖转化率反而低于对照样品。     

稻草秸秆3种预处理方法的比较

底物w(纤维素)和w(半纤维素)是木质纤维素转化为乙醇、乳酸和其他化学品最为重要的因素。为了提高底物w(纤维素)、w(半纤维素)和糖化得率,该文采用稀硫酸、氢氧化钠和氢氧化钠联合过氧乙酸等3种化学方法对稻草秸秆进行了预处理。结果表明,用ρ(NaOH)=20 g/L的碱液于85℃与ρ(过氧乙酸)=60 g/L酸液于75℃联合处理秸秆时,秸秆w(纤维素)从41.5%上升到81.5%,w(半纤维素)下降为13.7%,纤维素酶酶解48 h葡萄糖质量浓度达37.7 g/L,木糖质量浓度为12.8 g/L;用ρ(NaOH)=20 g/L碱液于121℃处理秸秆时,秸秆w(纤维素)为66.3%,w(半纤维素)为20.2%,酶解60 h后葡萄糖质量浓度为33.5 g/L,72 h木糖质量浓度为15.1 g/L。     

麦秸秆的氢氧化钙预处理及酶解试验研究

采用氢氧化钙对麦秸秆进行预处理,以酶解还原糖得率为目的,分别优化预处理及酶解条件。结果表明,氢氧化钙预处理麦秸秆的最佳条件是:Ca(OH)2添加量为0.06g/g(对秸秆),固液比为1:10,在120℃下反应时间为2h;最佳酶解条件是:温度50℃,pH4.8,纤维素酶17FPU/g(对秸秆),木聚糖酶160IU/g,在添加0.15g/g(对秸秆)Tween80条件下,酶解液中还原糖质量浓度为62.32g/L,酶解还原糖得率达85.23%。     

自水解预处理对稻草化学成分及酶解性能的影响

研究了自水解处理对稻草秸秆主要化学成分及酶解糖化效率的影响。结果显示:在100～160℃下对稻草进行自水解预处理,酸溶木质素的脱除程度随着自水解温度的升高而增大,而Klason木质素含量几乎没有变化,几乎全部SiO2仍然保留在预处理后草片中;稻草高聚糖的降解程度随着自水解温度的升高而增加,但由于自水解液酸性较弱,大量高聚糖仍保留在草片中;自水解预处理有利于促进稻草的酶解糖化,随着自水解预处理温度的升高和酶用量的增大,酶解液中各种聚糖得率均有不同程度的提高,但自水解温度的影响显得更为重要;经160℃自水解预处理的稻草在40 FPU/g混合酶用量下,葡聚糖和木聚糖的总转化率约为68%和45%,总糖转化率近60%。     

醋酸预水解对稻草化学成分及酶水解性能的影响

研究了醋酸预处理对稻草主要化学成分及酶水解糖化效率的影响。在160℃下以不同的醋酸用量(0～4%)对稻草进行处理,预处理后稻草的Klason木质素含量基本保持不变,约60%的酸溶木质素被脱除;灰分含量(质量分数)约下降30%,灰分中SiO2则几乎全部保留在预处理浆料中。预处理醋酸用量的增加对酸溶木质素和灰分含量的变化均无显著影响。预处理后高聚糖的降解程度随醋酸用量的增加而上升,其中半纤维素的降解程度尤为显著,阿拉伯聚糖、半乳聚糖大量溶出。对经醋酸预处理稻草的酶水解研究表明,预处理中醋酸用量的增加无助于酶水解液中还原糖得率的提高。稻草于160℃下经不添加醋酸的自水解预处理后,其酶解还原糖得率均高于经醋酸预处理的稻草,当纤维素酶用量为40 FPU/g(对底物)时,稻草中高聚糖的酶水解转化效率最高,葡聚糖、木聚糖的转化率分别为67.8%和45.3%,总糖转化率为58.8%。     

氨预处理对大豆秸秆纤维素酶解产糖影响的研究

为了提高大豆秸秆酶解产糖能力, 以利于从大豆秸秆中提取生物降解性塑料的原料 ?? 乳酸, 对大豆秸秆纤维素预处理过程的影响因素进行了探索,对预处理前后大豆秸秆的物理结构变化、化学成分变化及预处理条件对大豆秸秆酶水解产糖的影响进行了研究。研究结果表明,粉碎结合氨处理对大豆秸秆酶水解影响较大,较适宜的预处理条件为大豆秸秆粉碎至 140 目,10%氨水处理 24h。经过预处理后大豆秸秆纤维素含量提高 70.27%, 半纤维素含量下降 41.45%, 木质素含量下降 30.16%, 有利于大豆秸秆酶解产糖。     

亚硫酸钠预处理提高稻草酶水解糖化效率的研究

研究了亚硫酸钠预处理对稻草化学组分变化及酶水解性能的影响。结果表明,提高温度或增加Na2SO3用量可以脱除更多的木质素和半纤维素,酶水解效率也相应提高,但木质素脱除率达到50%以后,继续增强预处理条件,对酶水解糖得率无显著的促进作用。相比而言,加大Na2SO3用量更有利于使木质素溶出,提高温度更有利于使高聚糖溶出,加大Na2SO3用量比提高温度对酶水解效率的提高影响更显著。通过实验得到亚硫酸钠预处理稻草的最优条件,在温度为140℃,Na2SO3用量为16%,纤维素酶用量为20 FPU/g(对纤维素)时,总糖转化率达到最大,为74.9%,此时的总糖得率为43.5%。     

Effect of LHW,HCl, and NaOH pretreatment on enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse: sugar recovery and fractal-like kinetics

Conversion of lignocellulose to sugars involves two main processes, namely pretreatment and enzymatic hydrolysis. Lignocellulose pretreatment leads to the degradation of enzymatic recalcitrance of substrate for achieving efficient saccharification. In this study, liquid hot water (LHW), hydrochloric acid (HCl), and sodium hydroxide (NaOH) were as reagents used to pretreat sugarcane bagasse (SB). Results showed that LHW, HCl, and NaOH pretreatment could solubilize 95.3%, 94.7% xylan and 88.7% lignin, respectively. Enzymatic hydrolysis of pretreated SB showed that the maximum glucose (26.0?g/L) and xylose (12.7?g/L) concentration were produced by NaOH pretreatment, and slightly more glucose and less xylose were produced after HCl pretreatment compared to LHW pretreatment. Addition of Tween 80 or xylanase could significantly improve both glucose and xylose production. At 48?h, the glucose increase for LHW, HC1 and NaOH pretreatment was 38.3%, 26.4% and 8.0%, respectively, and the xylose increase for them was 35.0%, 24.9% and 1.7%, respectively. Fractal-like kinetics showed that the value of rate constant increased after the addition of Tween 80 or xylanase, and the efficiency of enzymatic hydrolysis mainly depended on rate constant other than fractal dimension of substrate. Totally, substrate accessibility was dominated for efficient of lignocellulose to sugar compared to enzyme loading. The application of fractal-like theory on the heterogeneous enzymatic hydrolysis of lignocellulose was quite successful.     

微波辐射对硫酸催化稻草水解的促进作用

研究了微波辐射对硫酸催化稻草水解的促进作用.考察了微波辐射功率、辐射时间、硫酸质量分数及每升硫酸溶液中稻草添加量对还原糖得率的影响.与常规酸水解比较,微波辐射可显著加快水解速率,缩短糖化时间.采用正交试验法对微波辐射下稻草硫酸水解条件进行了优化,最佳条件为:微波功率280 W,辐射时间30 min,硫酸质量分数25%,每升硫酸溶液中稻草添加量30 g,还原糖得率达到26.5%.     

超临界水非催化稻草秸秆一步法制备还原糖的研究

超临界水非催化稻草秸秆一步法制备还原糖是一种新型的燃料酒精制备方法。采用自制超临界水的间歇反应器,在设定反应时间内,通过锡浴加热使反应体系达到超/近临界状态。稻草秸秆经处理后,由冷水急冷终止反应。结果表明在反应温度 350℃、反应压力 16 MPa、处理时间 25 s、固液比为1:15且稻草秸秆未经任何预处理的条件下,还原糖收率达到最大值 28.81%;此外,稻草秸秆使用超临界水一步法水解比用碱液处理后再进行超临界水解更利于其转化为还原糖。