木质纤维素水解过程中发酵抑制物的产生与脱毒
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
和木质 素 三种化 学组 分构成 ， 由于生 物质 结构 比较
物 。木 质纤 维素 的 预处理 方法 种类 繁多 ， 稀 酸水解 是木质 生物 质 原料 水 解 较 为 成 熟 的 方法 。以 稀 酸
水解 预处 理为例 ， 在稀 酸水 解 处 理 过 程 中 ， 纤 维 素 水解 生成 葡萄糖 ， 在 酸性 条件 下葡 萄糖 可 以继 续 降
稀 酸 预水 解 和 水 预水 解 在 反应 开 始 后都 会 形 成 酸性 体系 使木 质纤 维素产 生 降解 ， 这是 因为水 预
水 解会 使木 质纤 维 素 中 的一 些 乙酰 基 基 团产 生 乙 酸， 从 而使 体系 的 ｐ Ｈ 降低 。 因此稀 酸 预水 解 和水 预 水解 的发 酵抑 制 物 的 产 生 主 要 受 到 体 系 的 ｐ Ｈ 以及反 应 的 温 度 和 处 理 时 间 这 几 个 因 素 的 影 响 。
木 质纤 维素 一般 包括纤 维 素 、 半 纤维 素 和木 质 素３ 种主要成分 ， 此 外 还 含 有 少 量 的 灰 分 和 抽 提
生 性将越 来 越 难 以满 足人 类 的需 求 ］ 。木 质 纤 维 素作为 一种 可再 生 的资源 ， 显示 出 了巨大 的发 展前 景 。近 年来 ， 对木 质纤 维预 处理 及其 产物 的生 物能 源转化 技 术 等 方 面 的 研 究 受 到 国 内外 的 持 续 关 注＿ ２ Ｊ 。木 质纤 维素 类物 质主 要 由纤维 素 、 半 纤 维素
１ 发酵 抑 制物的产 生 及影 响 因素
收 藕 日期 ： ２ ０ １ ６ —０ ８ —０ ８
解， 生成 ５ 一 羟 甲基糠 醛 （ ＨＭＦ ） ， 进而 降解 成 甲酸 和 乙酰丙 酸 等发 酵 抑制 性 物 质 。由 于半 纤 维 素 的 结 晶度 较纤 维 素 更 低 ， 非 结 晶 区更 容 易 发 生 降 解 反
稳定 ， 在通 常条件 下 很 难 实 现 其 组 分分 离 ， 只有 在 催 化剂存 在 的情 况下 才会水 解 成糖类 物 质 ］ ， 进 而 再 利用 微生 物 发 酵等 方 法 生 产 所 需要 的产 品。木 质纤维 素类 物质 水解 处理 中， 会 产生 一 系列 的低分 子发 酵抑 制物 ， 它们 严重 影 响 了微 生 物 的繁 殖 、 生 长 以及 对 底 物 的发 酵 利 用ｃ ４ ］ 。发 酵 抑 制 物会 随着 原料及 所 使用 预水解 条件 的 不 同 ， 类 型 和浓 度也会 有所 不 同 ， 主要 包括 甲酸 、 乙酸 、 糠 醛 以及一些 酚 类 化合 物等 。各 种不 同种 类 的 抑制 剂 的抑 制 机 理 也 各有 不 同 。 本 文对 木 质 纤维 素 水 解 液 中 的发 酵抑 制 物 的 产生 及种 类 、 抑制 微 生 物 发酵 的原 因 、 发 酵 抑 制 物 的脱 除研 究进 行 了综述 ， 并对 发酵 抑制 物 的脱毒 发 展前 景做 了展 望 。
２ ０ １ ６ 年
・
第 ４期
《 黑
龙
江
造
纸》
论文 与综 述 ・
木质 纤维 素水解过程 中发酵抑制物的产生与脱毒
郭凯原 ， 石海强 。 ， 熊学东 ， 朱 宁
（ １ ． 大 连 工 业 大 学 轻 工 与化 学 工 程 学 院 ， 辽 宁 大连 １ １ ６ ０ ３ ４ ，
２ ． 华 南 理 工 大 学 制 浆 造 纸 工 程 国家 重 点 实 验 室 ， 广东 广州 ５ １ ０ ６ ４ ０ ） ）
降解 ， 其 降 解 的 主 要 产 物 为 多 种 单 环 芳 香 族 化 合 物， 灰分 和抽 提 物 主要 生成 酚 类 物 质［ ５ ］ 。在 这 些 物 质 中一般认 为 低分 子质 量 的酚 类 物 质对 发 酵 有
显 著 的抑制 作用 。 １ ． ２ 发酵 抑制 物产 生的影 响 因素
［ 摘 要］ 木 质 纤维素是 自然界 最丰 富的 可再 生资 源 ， 含有 大量的碳 水化 合物 。 自水解 ／ 稀 酸水 解是 木质 纤 维酶 解糖化 和 生物转 化 高附加值 产 品的 重要预 处理 手段 。水解过 程 中碳 水 化合 物解 聚溶 解转 化成
可发 酵糖 ， 但 目前 所采 用的 水解预 处 理方 法 中， 同时还 会 产 生一 些低 分 子发 酵抑 制 性物 质 ， 一 般 包括 低 分
子 有机 酸 、 糠 醛类 和溶 解性 酚类 物质 等 ， 这 些抑 制物 严重 影 响 了微 生物 对 水 解产 物 的发 酵 活性 ， 从 而 大 大 降低 了发 酵 目标 产物 的得 率 。本 文对 木质 纤 维素水 解过 程 中发 酵 抑制 性 物质 的产 生途 径 和 影 响 因素 ， 发 酵抑制物 的种类 与抑 制机理 ， 以及 目前对 这类 物质 的脱毒 方 法进行 了综 述和 前景展 望。
应 。在酸 性条 件下 ， ９ Ｏ 以上 的半纤 维 素发 生水 解 反应 ， 产 生 多 种单 糖 ， 其 中主要 有 木 糖 、 阿拉伯 糖 、
半乳 糖等 ， 由半 纤维 素水 解生 成 的单糖 在酸 性条 件 下进 一步 降解 生 成糠 醛 等 。半纤 维 素组 分 中的 氧
乙酰基 基 团 水解 ， 会 生 成 乙酸 。 甲酸 、 乙 酸 以及 乙 酰丙 酸等 低分 子ห้องสมุดไป่ตู้酸类 物 质 对 后期 微 生物 处 理 时 酶 的活性会 产生 抑 制 作 用 。木 质 素 也会 发 生 一 部 分
［ 关 键词 ］ 木 质 纤维 素 ； 发 酵抑 制物 ； 脱毒 随着 人 口的增 长 以及工 业化 水平 的不 断提 高 ，
人类 对能 源 的消 耗 在 逐 年增 加 。 目前作 为主 要 的 化 石能 源 ， 如 原油 、 煤炭 和天 然气 等 ， 由于 其不 可再
１ ． １ 发 酵 抑 制 物 的 产 生
物 。木 质纤 维素 的 预处理 方法 种类 繁多 ， 稀 酸水解 是木质 生物 质 原料 水 解 较 为 成 熟 的 方法 。以 稀 酸
水解 预处 理为例 ， 在稀 酸水 解 处 理 过 程 中 ， 纤 维 素 水解 生成 葡萄糖 ， 在 酸性 条件 下葡 萄糖 可 以继 续 降
稀 酸 预水 解 和 水 预水 解 在 反应 开 始 后都 会 形 成 酸性 体系 使木 质纤 维素产 生 降解 ， 这是 因为水 预
水 解会 使木 质纤 维 素 中 的一 些 乙酰 基 基 团产 生 乙 酸， 从 而使 体系 的 ｐ Ｈ 降低 。 因此稀 酸 预水 解 和水 预 水解 的发 酵抑 制 物 的 产 生 主 要 受 到 体 系 的 ｐ Ｈ 以及反 应 的 温 度 和 处 理 时 间 这 几 个 因 素 的 影 响 。
木 质纤 维素 一般 包括纤 维 素 、 半 纤维 素 和木 质 素３ 种主要成分 ， 此 外 还 含 有 少 量 的 灰 分 和 抽 提
生 性将越 来 越 难 以满 足人 类 的需 求 ］ 。木 质 纤 维 素作为 一种 可再 生 的资源 ， 显示 出 了巨大 的发 展前 景 。近 年来 ， 对木 质纤 维预 处理 及其 产物 的生 物能 源转化 技 术 等 方 面 的 研 究 受 到 国 内外 的 持 续 关 注＿ ２ Ｊ 。木 质纤 维素 类物 质主 要 由纤维 素 、 半 纤 维素
１ 发酵 抑 制物的产 生 及影 响 因素
收 藕 日期 ： ２ ０ １ ６ —０ ８ —０ ８
解， 生成 ５ 一 羟 甲基糠 醛 （ ＨＭＦ ） ， 进而 降解 成 甲酸 和 乙酰丙 酸 等发 酵 抑制 性 物 质 。由 于半 纤 维 素 的 结 晶度 较纤 维 素 更 低 ， 非 结 晶 区更 容 易 发 生 降 解 反
稳定 ， 在通 常条件 下 很 难 实 现 其 组 分分 离 ， 只有 在 催 化剂存 在 的情 况下 才会水 解 成糖类 物 质 ］ ， 进 而 再 利用 微生 物 发 酵等 方 法 生 产 所 需要 的产 品。木 质纤维 素类 物质 水解 处理 中， 会 产生 一 系列 的低分 子发 酵抑 制物 ， 它们 严重 影 响 了微 生 物 的繁 殖 、 生 长 以及 对 底 物 的发 酵 利 用ｃ ４ ］ 。发 酵 抑 制 物会 随着 原料及 所 使用 预水解 条件 的 不 同 ， 类 型 和浓 度也会 有所 不 同 ， 主要 包括 甲酸 、 乙酸 、 糠 醛 以及一些 酚 类 化合 物等 。各 种不 同种 类 的 抑制 剂 的抑 制 机 理 也 各有 不 同 。 本 文对 木 质 纤维 素 水 解 液 中 的发 酵抑 制 物 的 产生 及种 类 、 抑制 微 生 物 发酵 的原 因 、 发 酵 抑 制 物 的脱 除研 究进 行 了综述 ， 并对 发酵 抑制 物 的脱毒 发 展前 景做 了展 望 。
２ ０ １ ６ 年
・
第 ４期
《 黑
龙
江
造
纸》
论文 与综 述 ・
木质 纤维 素水解过程 中发酵抑制物的产生与脱毒
郭凯原 ， 石海强 。 ， 熊学东 ， 朱 宁
（ １ ． 大 连 工 业 大 学 轻 工 与化 学 工 程 学 院 ， 辽 宁 大连 １ １ ６ ０ ３ ４ ，
２ ． 华 南 理 工 大 学 制 浆 造 纸 工 程 国家 重 点 实 验 室 ， 广东 广州 ５ １ ０ ６ ４ ０ ） ）
降解 ， 其 降 解 的 主 要 产 物 为 多 种 单 环 芳 香 族 化 合 物， 灰分 和抽 提 物 主要 生成 酚 类 物 质［ ５ ］ 。在 这 些 物 质 中一般认 为 低分 子质 量 的酚 类 物 质对 发 酵 有
显 著 的抑制 作用 。 １ ． ２ 发酵 抑制 物产 生的影 响 因素
［ 摘 要］ 木 质 纤维素是 自然界 最丰 富的 可再 生资 源 ， 含有 大量的碳 水化 合物 。 自水解 ／ 稀 酸水 解是 木质 纤 维酶 解糖化 和 生物转 化 高附加值 产 品的 重要预 处理 手段 。水解过 程 中碳 水 化合 物解 聚溶 解转 化成
可发 酵糖 ， 但 目前 所采 用的 水解预 处 理方 法 中， 同时还 会 产 生一 些低 分 子发 酵抑 制 性物 质 ， 一 般 包括 低 分
子 有机 酸 、 糠 醛类 和溶 解性 酚类 物质 等 ， 这 些抑 制物 严重 影 响 了微 生物 对 水 解产 物 的发 酵 活性 ， 从 而 大 大 降低 了发 酵 目标 产物 的得 率 。本 文对 木质 纤 维素水 解过 程 中发 酵 抑制 性 物质 的产 生途 径 和 影 响 因素 ， 发 酵抑制物 的种类 与抑 制机理 ， 以及 目前对 这类 物质 的脱毒 方 法进行 了综 述和 前景展 望。
应 。在酸 性条 件下 ， ９ Ｏ 以上 的半纤 维 素发 生水 解 反应 ， 产 生 多 种单 糖 ， 其 中主要 有 木 糖 、 阿拉伯 糖 、
半乳 糖等 ， 由半 纤维 素水 解生 成 的单糖 在酸 性条 件 下进 一步 降解 生 成糠 醛 等 。半纤 维 素组 分 中的 氧
乙酰基 基 团 水解 ， 会 生 成 乙酸 。 甲酸 、 乙 酸 以及 乙 酰丙 酸等 低分 子ห้องสมุดไป่ตู้酸类 物 质 对 后期 微 生物 处 理 时 酶 的活性会 产生 抑 制 作 用 。木 质 素 也会 发 生 一 部 分
［ 关 键词 ］ 木 质 纤维 素 ； 发 酵抑 制物 ； 脱毒 随着 人 口的增 长 以及工 业化 水平 的不 断提 高 ，
人类 对能 源 的消 耗 在 逐 年增 加 。 目前作 为主 要 的 化 石能 源 ， 如 原油 、 煤炭 和天 然气 等 ， 由于 其不 可再
１ ． １ 发 酵 抑 制 物 的 产 生