酸性亚硫酸盐高效预处理桉木提高其水解和发酵效率

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随着化石能源渐趋枯竭,越来越多的国家致力于开发可替代化石能源的生物燃料。以天然木质纤维素为原料生产生物乙醇,具有地域适宜性广、清洁、环保和可再生等优点。桉树是著名的速生树种之一,具有分布范围广、环境适应性强、生物质产量高等许多优点。以桉树为原料的生物质精炼具有技术和现实可行性。酸性亚硫酸盐预处理木质纤维原料已证明是有效的预处理方法,可以显著提高原料对酶的可及性。本文探索了经酸性亚硫酸盐预处理后的桉木的纤维素酶水解和发酵过程,探讨了提高糖化和发酵效率的途径。本文首先考察了纤维素酶用量、助剂以及底物浓度对单段和多段酶解过程的影响。实验所得到的最佳纤维素酶用量为20FPU/g纤维素。单段酶解过程中,低浓水解过程反应12h即可完全水解,而随着底物浓度的增加,纤维素酶水解率下降较快。单段高浓水解(30%)72h后,酶解液中的葡萄糖浓度可达到161.4g/L。分批补料的多段纤维素酶水解过程可有效的降低抑制物的积累对纤维素酶的抑制作用,提高葡萄糖浓度,但是,葡萄糖得率随着初始底物浓度的提高而下降。采用高活性酿酒干酵母粉对酶解液发酵,用全挥发顶空气相色谱(HS-GC)检测发酵液乙醇含量,以考察分步水解发酵(SHF)和同步糖化发酵(SSF)过程的乙醇得率。发现SHF过程中发酵乙醇得率随着初始葡萄糖浓度的增加而下降;而SSF过程中,起始底物浓度越高,发酵液乙醇浓度越高,当底物固体浓度达到24%时,最高乙醇浓度可达56.7g/L,是SHF发酵得到的发酵液乙醇浓度的1.7倍。这也证明了酶水解产物是导致中高浓酶水解效率低下的主要原因,同时也为提高酶水解效率提供了有效的手段。采用双波长紫外分光光度法实时监测了两种内切纤维素酶(EGV和EGI)在α-纤维素表面的初始吸附,结果表明,带纤维素结合域(CBD)的EGV在底物上的吸附非常迅速,仅需4min左右即可达到准稳态。通过改变纤维素酶EGV的初始浓度得到的平衡吸附数据符合Langmuir等温吸附模型,表明该酶的初始吸附可能是单分子层化学吸附。EGI的吸附动力学较为复杂,约每7min即发生明显的脱附,然后重新吸附。我们认为,内切纤维素酶的特异性吸附是由CBD决定的,缺少CBD的内切纤维素酶以缔合的形式沉积在纤维表面,其吸附动力学更多依赖于其胶体化学性质。酶水解过程中,表面活性剂Tween80的加入有利于葡萄糖得率的提高,但是与蛋白质共存时,Tween80的检测方法却鲜有报道。本文建立了一种基于染色剂考马斯亮蓝(CBB-G250)和Tween80颜色反应的快速检测溶液中Tween80的方法。25°C时,通过对605nm处的吸光度值与Tween80的浓度建立校准曲线,可对Tween80进行定量检测;当牛血清蛋白(BSA)存在时,选用CBB-Tween80复合物的一阶导数光谱在251nm处的吸光度值与Tween80的浓度建立校准曲线,可对Tween80进行定量。
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