仿生酶菌协同预处理木质纤维素过程转化机理及特性

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gift19852003
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白蚁-真菌自然共生体系可高效转化木质纤维素类生物质,其本质在于对木质素物理结构的破坏和官能团的修饰,增强纤维素酶对纤维素的可及性,减少木质素对纤维素酶的非生产性吸附,从而提高酶解糖化效率,为木质纤维素类生物质高效能源化利用提供新思路。白蚁-真菌自然共生体系内白蚁肠道的漆酶(Laccase,简称La)和蚁巢内的蚁巢伞菌(Termitomyces sp.,简称Te)对木质素具有降解效果。基于此,本文提出La和Te分步协同预处理新体系(La+Te协同体系),以木质素模型化合物碱木素和实际木质纤维素类生物质小麦秸秆为预处理底物,研究单一La、单一真菌和酶菌协同体系对碱木素和小麦秸秆的预处理效果,分析碱木素理化特性的改变,以及经酶菌预处理后碱木素对后续酶解的影响,明晰酶菌体系对木质素协同预处理的影响规律,为木质素预处理提供一定指导。在此基础上,进一步研究酶菌协同体系对小麦秸秆的转化特性,阐明酶菌协同体系提升小麦秸秆转化效率的机理。最后探究酶菌协同体系对小麦秸秆的酶解及发酵特性的影响,验证酶菌协同体系可有效提升小麦秸秆转化制取燃料乙醇的效率。得到的主要结论如下:(1)构建仿生酶菌协同新体系,即La+Te协同体系,比较单一La、单一真菌和La+PC(PC为典型的木质素降解菌黄孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium,简称PC)协同体系对真菌生化特性和碱木素转化特性的影响。酶菌预处理体系可以加快真菌生长初期的生长速率,缩短达到真菌最大生物量的时间,同时减缓真菌的衰亡速率。La+Te协同体系分泌的木质素降解酶漆酶(La)和木质素过氧化物酶(Li P)的活性较单一Te分别提升43.3%和58.5%,La+PC协同体系分泌的木质素降解酶La和锰过氧化物酶(Mn P)的活性较单一PC分别提升35.9%和31.6%。La+PC协同体系对碱木素的降解率较单一PC提升6.7%。傅里叶转换红外光谱(FTIR)结果表明酶菌协同体系对木质素官能团的修饰作用显著。热重分析(TGA)表明协同体系处理后的碱木素大分子比单一真菌更易被热分解,分子结构易被破坏。扫描电镜(SEM)结果和孔径分析表明酶菌协同体系对碱木素表面结构造成严重的破坏,表面空隙增多,平均孔径显著增大。La+Te协同体系处理后的碱木素对纤维素酶的最大吸附量较对未处理的碱木素样品降低了51.5%,对酶的非生产性吸附量最少,使还原糖的产量较未处理的碱木素样品提高了71.5%。(2)La+PC协同体系对木质素的去除率较单一PC显著提升240%,对纤维素、半纤维素的保留率较单一PC分别提升13.6%,10.2%;La+Te协同体系和单一Te对木质素的降解率、纤维素和半纤维素的保留率基本一致。La+PC协同体系预处理后的小麦秸秆酶解还原糖产量较单一PC提升29.6%。X射线衍射(XRD)表明酶菌协同体系可以降低小麦秸秆结晶度。TGA表明酶菌协同体系比原样有更高的热稳定性。FTIR分析结果表明,经酶菌协同体系预处理后的小麦秸秆在400cm-1~4000 cm-1范围内各官能团的吸收峰强度增强。SEM结果表明酶菌协同体系预处理后小麦秸秆表面的物理结构破坏严重,出现长度为10μm左右的矩形空腔,提高了纤维素酶对纤维素的可及性,有利于后续酶解糖化及发酵过程。(3)酶菌预处理前后的小麦秸秆酶解液乙醇产量速率在发酵前期是最快的,之后乙醇浓度开始下降,表明乙醇发酵过程的时间不宜过长。单一Te和La+Te协同体系预处理后的小麦秸秆酶解液乙醇产量最多,表明蚁巢伞菌预处理小麦秸秆可以显著提升后续乙醇产量。La+Te协同体系预处理后的乙醇产量最高,为1.14 g/L,葡萄糖发酵利用率比单一Te高29.0%。La+PC协同体系的乙醇产量和葡萄糖发酵利用率分别比单一PC提升74.4%、33.7%。
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