木质纤维素生物炼制

实验名称：木质纤维素生物炼制

一、摘要

生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。根据近来研究开发的不同情况，生物炼制分为木质纤维素炼制、全谷物炼制和绿色炼制。本实验属木质纤维素炼制，这是利用自然界中干燥的原材料如含纤维素的生物质和废弃物作原料进行的生物炼制。生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。纤维素生物转化燃料乙醇对解决当前世界能源危机、粮食短缺和环境污染等问题具有重要意义，已成为当前研究的热点。

二、实验目的、原理

2.1实验目的

本课程的目的是在生物反应器工程国家重点实验室生物炼制微型工厂公共平台实验室通过进行以类似工厂化的木质纤维素生物炼制流程操作，以玉米秸秆为起始原料经过典型的生物炼制过程生产燃料乙醇。通过对玉米秸秆的预处理和预处理效果评价以及玉米芯残渣的酶解制糖过程，使学生理解生物炼制工程的基本原理在科学研究和工业生产上的应用，掌握生物炼制工程的基本实验流程和技能，学会正确使用生物炼制专用仪器，观察记录实验数据，并对实验结果进行分析讨论。

2.2实验原理

高温稀酸预处理原理：玉米秸秆主要由大分子聚合物纤维素、半纤维素和木质素组成，而且在长期进化过程中演化出了对周围环境、生物酶、病虫害等具有极强生物抵抗性的致密结构。在高温的酸性环境中，可以促使半纤维素快速降解，破坏木质素的结构和纤维素的晶体结构，提高玉米秸秆中纤维素的酶解转化率。

预处理效果评价及玉米芯残渣糖化原理：在纤维素酶的作用下，将预处理后玉米秸秆中的纤维素/玉米芯残渣中的纤维素组分酶解生成葡萄糖。

三、实验材料、方法

3.1原材料与纤维素酶

原料：含有木质纤维素的生物质样品：外地产农作物玉米秸秆，用烘箱烘干后备用，采

用稀释硫酸进行预处理。

试剂：已知酶活的纤维素酶(20FPU/g)，beta-葡萄糖苷酶(30CBU/ml)，柠檬酸缓冲液：0.1mol/L，3.5%的稀硫酸，调节pH至4.8。

3.2主要实验仪器与设备

3.2.1预处理反应器

电动直联秸秆粉碎机9FZ-35，山东省泰安泰峰农牧机械厂；

耐强酸搪瓷反应釜100L，山东省淄博太极集团；

酶解-发酵罐RTY-MS-100L，江苏省镇江日泰生物工程设备有限公司；

板框压滤机SHF150，浙江海宁过滤设备有限公司；

高压蒸汽灭菌锅YXQ-LS-18SI，上海博迅实业有限公司；

紫外/可见分光光度计UV751GD，上海分析仪器总厂。

3.2.250L糖化反应器

固定化糖化酶反应器，其设有反应室、恒温层、分离观察塔、产物出口、支座、反应底物输送控制器，反应室底部设有喷射送液器，其由底盘和喷射管组成，喷射管上分别设有不同指向的喷射嘴，各喷射管和反应底物输送控制器的相应流量计相连，并受其控制。各种不同方向、不同流速的液流使固定化糖化酶载体处于悬浮状态，固定化糖化酶和反应底物接触充分，反应完全，速度快。

3.2.3高效液相色谱

高效液相色谱仪可分为“高压输液泵”、“色谱柱”、“进样器”、“检测器”、“馏分收集器”以及“数据获取与处理系统”等部分，以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析。

高效液相色谱仪一般都具备贮液器、高压泵、梯度洗提装置（用双泵）、进样器、色谱柱、检测器、恒温器、记录仪等主要部件。

3.3实验方法

3.3.1玉米秸秆的高温稀酸预处理方法

预处理的目的是改变天然纤维素的结构，破坏纤维素—木质素—半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度，脱去木质素，增加原料的疏松性以增加纤维素酶系与纤维素的有效接触，从而提高酶效率。预处理必须满足以下要求：①促进糖的形成，或提高后续酶水解形成糖的能力；②避免糖的降解或损失；③避免形成副产物阻碍后续水解和发酵过程；④节约成本。目前木质生物资源的预处理方法有多种，应用研究较多的是化学法、物化法、生物法以及上述方法的综合。

本实验采用化学稀酸水解，这一方法很早以前就已成功运用于木质纤维原料预处理。稀酸预处理方法主要有两种：一是低固体载荷（底物重量/反应混合物重量5％～10％）、高温（＞160℃）、持续流动；二是高固体载荷（10％～40％）、低温（＜160℃），间歇流动。

稀酸预处理可以高效地促进纤维素水解。

3.3.2预处理后玉米秸秆的效果评价

3.3.2.1预处理

预处理条件：预浸固液比：2：1，稀硫酸浓度：3.5%，预处理反应器装料量：2kg，预处理温度：185℃，搅拌转速：50r/min，预处理时间：185℃，3min

3.3.2.2预处理秸秆的酶解

酶解条件：固体含量(A1，%)：5%，纤维素酶用量：15FPU/g，酶解体系：10ml柠檬酸，酶解体系体积(V，L)：20ml，pH值：4.8，温度：50℃，转速：150r/ml，时间：72h

酶解开始时体系的葡萄糖浓度C0=0.928g/L，酶解结束时体系的葡萄糖浓度C1=20.497g/L

3.3.2.3玉米芯工业残渣的50L反应器酶解实验

酶解条件：固体含量(A1，%)：15%，纤维素酶用量：710ml，酶解体系：20FPU/g干料，酶解体系体积(V，L)：31L，pH值：4.8，温度：50℃，转速：100r，时间：48h

取样点以及取样体系的葡萄糖浓度：

0h：0.423g/L，12h：1.609g/L，24h：1.923g/L，36h：1.973g/L，48h：2.129g/L

其中，

C1-酶解体系中所加入玉米芯残渣的总质量(g)：12kg

A1-酶解体系的固含量(%)：38%

C C-玉米芯残渣中的纤维素含量(%)：54%

1.111-纤维素转化为葡萄糖的转化系数

绘制酶解体系中葡萄糖随时间的变化曲线

根据仪器数据，拟合曲线的公式为：y=3.042×10-7x

其中：y-葡萄糖浓度，g/L；x-高效液相色谱峰面积

时间点A/面积葡萄糖浓度

/g/L

012354770.422533134

124704664 1.608995088

245593085 1.91283507

365769867 1.973294514

486224700 2.1288474

表1

下图中，竖轴为葡萄糖浓度，g/L；横轴为取样时间点，h