木质纤维素的酶降解工艺
木质纤维素的酶水解
木质纤维素的酶水解Biological conversion of cellulosic biomass to fuels and chemicals offers the high yields to products vital to economic success and the potential for very low costs. En zymatic hydrolysis that conv erts lig no cellulosic biomass to ferme ntable sugars may be the most complex step in this process due to substrate-related and en zyme-related effects and their in teracti ons. Although en zymatic hydrolysis offers the pote ntial for higher yields, higher selectivity, lower en ergy costs and milder operat ing con diti ons than chemical processes, the mecha nism of en zymatic hydrolysis and the relati on ship between the substrate structure and function of various glycosyl hydrolase comp onents is not well un derstood. Con seque ntly, limited success has bee n realized in maximizing sugar yields at very low cost. This review highlights literature on the impact of key substrate and en zyme features that in flue nee performa nee, to better un dersta nd fun dame ntal strategies to adva nce en zymatic hydrolysis of cellulosic biomass for biological conversion to fuels and chemicals. Topics are summarized from a practical point of view in cludi ng characteristics of cellulose (e.g., crystalli ni ty, degree of polymerizati on and accessible surface area) and soluble and in soluble biomass comp onents (e.g., oligomeric xyla n and lig nin) released in pretreatme nt, and their effects on the effectiveness of enzymatic hydrolysis. We further discuss the diversity, stability and activity of in dividual en zymes and their syn ergistic effects in dec on struct ing complex lig no cellulosic biomass. Adva need tech no logies to discover and characterize novel enzymes and to improve enzyme characteristics by mutage nesis, post-tra nslatio nal modificati on and over-expressi on of selected en zymes and modificati ons in lig no cellulosic biomass are also discussed.基于酶水解技术基础上的纤维素乙醇生产技术是20世纪80年代生物质技术的主要研究领域，自从20世纪70年代能源危机”之后，美国能源部一直积极支持规模以上乙醇生产，并建立独立部门用于管理和支持这项工作。
微生物分解木质素的机制和应用
微生物分解木质素的机制和应用当人们想到微生物，往往会联想到细菌和病毒。
然而，微生物还有另一个十分重要的作用，那就是分解木质素。
木质素是一种非常复杂的有机化合物，它是构成木材主要部分的聚合物。
木材中的木质素影响了木材的颜色、形状和硬度。
由于木质素的结构复杂，其降解也非常困难。
微生物的出现和进化，使得这一难题得到了一定程度的解决。
一、微生物分解木质素的机制1. 溶菌酶的作用溶菌酶是一种水解木质素的酶类，与细菌和真菌都有密切关系。
在存在溶菌酶的微生物中，木质素产生的底物可以通过微生物的代谢途径，转化为有机酸和气体等形式释放出来。
因此，溶菌酶的存在可以促进木质素的生物降解。
2. 氧化酶的作用氧化酶是一类氧化还原酶，可以用于将木质素中的芳香环酚类以及羟丙基、羟甲基等短链糖类转化为各类醛酮。
这些产物是微生物能够利用的底物，从而促进木质素的分解。
3. 木素脱甲基酶的作用木素脱甲基酶是一类针对木素分子中的甲基进行去除的酶。
这类酶主要存在于真菌和细菌中。
经过这种酶的处理，木质素中的芳香环甲基被去掉，从而使木质素更容易分解。
二、微生物分解木质素的应用1. 软木板软木板是以树皮为原料，经过加工处理得到的一种材料。
在制备过程中，木质素被微生物分解，从而使软木更加柔软、耐用。
2. 生物燃料生物燃料是以生物质为原料生产的一种燃料，它可以是来自植物、动物或者微生物的有机废弃物，如纤维素、木质素等。
通过微生物分解木质素，可以产生甲烷、CO2等气体，这些气体可以用于发电和供暖，从而成为一种清洁、可再生的能源。
3. 污染物降解一些化工废弃物和污染物，如苯、甲苯等芳香环化合物，由于分子结构复杂，难以通过传统的化学方法进行降解。
微生物通过分解木质素的作用，可以分解这些污染物，从而提供一种清洁的化学降解方法。
总的来说，微生物分解木质素机制的研究，不仅可以增加对微生物本身生态环境的理解，还可以为人们提供多种有益的工业应用，使得木质素等有机废弃物得到更加有效的利用。
酶法水解木质纤维素预处理工艺进展
２ Ａ ａ ａＤａｍｉ Ｒ ｎｗ ｂｅ ｎｒｙ ｅｅｒｈＩｓｔｔ，Ｔ ｒｅＧ ｒ ｓ ｎｖｒ ｔ，Ｙｃａ ｇ ｕ ｅ４ ３ ０ ，Ｃ ｉａ ． ｌ Ｍ ｃ ｉ ｄ ｅ ｅ ａｌ Ｅ ｅｇ ｓａｃ ｔｕｅ ｈｅ ｏ ｅ ｉ ｓｙ ｉ ｎ ，Ｈ ｂ ｉ ０ ２ ｈｎ） ｎ ｒ Ｒ ｎｉ ｇ Ｕ ｅｉ ｈ
Ｎｏ２ ． Ｆ ｂ ．
文章编号 ：１７ — ６ ６（ ０ ８ ０ — ０ ５ ０ ６ １９４ ２０ ）２ ０５—４
酶法水解 木质纤维素预 处理 工艺进展
李德莹 ，龚大春 ，
（． １三峡大学 化学与生命科学学院 ，湖北 宜 昌 ４３０ ： ４０２ ２ 三峡大学 艾伦． ． 麦克德尔米德再生 能源研究 所 ，湖北 宜 昌 ４ ３ ０ ） ４ ０ ２
叶 、龙 须 草等 。 木 质 生物 质 主要成 分 为纤 维素 、半纤 维 素 和木质 素等。纤维素是 由 Ｂ、Ｄ 葡萄糖基通过 ｌ 一 一 ，４ 糖苷
常用的植物纤维原料有 ３ ：针 叶材 、阔叶材 、 类 禾本科材 ，其 中针叶材又称软木 ，如 ，杉和松 ；阔叶 材又称硬木 ，如柳 、杨和桦等 ；禾本科材 如竹 、芦 苇、蔗渣 、稻草 、麦草和高粱秆等 ；其他韧皮纤维原 料 ，如构皮 、桑皮麻类 ，以及叶部纤维原料 ，如甘蔗
１ ） ｏｄ￣ｌ ｎｃｌ ｌ ｅ ｅｌ ａｅ ｒｔ ａｍ ｎ （ ｒ ｌｇ ｉ ｏｅ ｕｏ ；ｃｌ ｌｓ；ｐｅ ｅｔ ｅｔ ｅ － ｗ ｇ ｌ ｓ ｕ ｒ
木质纤维素
木质纤维素木质纤维素是一种常见的天然聚合物，主要存在于植物细胞壁中，是植物体的主要结构成分之一。
它是由葡萄糖分子通过β-1,4-键连接而成的多糖。
木质纤维素在植物生长过程中起着重要的支持和保护作用，使细胞壁具有适当的刚度和形态，同时还可以促进植物的导水和传递养分。
木质纤维素的化学结构木质纤维素的基本化学结构由葡萄糖分子组成，它们通过特定的化学键连接在一起，形成长链状的结构。
在实际的植物细胞壁中，木质纤维素通常与其他的多糖以及一些辅助结构蛋白质相互作用，形成复杂的支架结构。
木质纤维素的性质及应用木质纤维素具有一定的耐水性和机械强度，在工业应用中有着广泛的用途。
木质纤维素可用于纸浆和造纸工业，作为包装材料、卫生纸、纸质衬板等的原料。
此外，木质纤维素还可以通过化学修饰，变成纤维素醋酸盐等高附加值的材料，用于制备纤维素纤维、纺织品、食品添加剂等。
木质纤维素的生物降解木质纤维素在自然界中是可以被微生物降解的，这是通过一系列的酶参与的生物降解过程。
微生物通过产生特定的纤维素酶来分解木质纤维素，最终将其分解成二糖和单糖等小分子，并释放出能量。
这种生物降解的过程对于环境的可持续性具有重要的意义。
木质纤维素的研究前景随着生物技术和材料科学的发展，对木质纤维素的研究也越来越受到关注。
人们致力于发展高效的生物工艺方法，提高木质纤维素的利用率和降解效率，以解决资源浪费和环境问题。
同时，基于木质纤维素的可再生特性，未来还有很大的发展空间，例如开发新型的生物基材料、生物燃料等。
综上所述，木质纤维素作为一种重要的天然聚合物，在植物生长和生态系统中发挥着重要的作用，同时具有广泛的应用潜力。
随着材料科学的进步和生物技术的发展，相信木质纤维素将在更多领域展现出其独特的价值和潜力。
木质纤维解离实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解木质纤维的组成和结构特点；2. 掌握木质纤维解离实验的方法和原理；3. 分析不同解离方法对木质纤维的影响。
二、实验原理木质纤维是由纤维素、半纤维素和木质素组成的复杂高分子聚合物。
木质素具有网状结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素。
在生物利用纤维素的过程中，为使微生物更易于利用纤维素，必须对基质进行预处理，以降解木质素的网状结构，增加无定形纤维素的相对结晶指数（RCI），除区半纤维素和木质素以后，纤维素中形成了更理想的反应通道，可使纤维素更好地与酶接触。
本实验通过物理和化学方法对木质纤维进行解离，比较不同解离方法对木质纤维的影响，以期为木质纤维的高效利用提供理论依据。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：木材、纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、氢氧化钠、硫酸、盐酸、甲醇、蒸馏水等。
2. 实验仪器：烘箱、电子天平、微波炉、离心机、紫外可见分光光度计、pH计、水浴锅、烧杯、玻璃棒、滴定管、容量瓶等。
四、实验步骤1. 木材预处理：将木材粉碎，过40目筛，于60℃烘箱中烘干至恒重。
2. 物理法解离：将烘干后的木材置于烧杯中，加入一定量的水，搅拌均匀，微波处理10分钟，取出后离心分离，收集滤液。
3. 化学法解离：将烘干后的木材置于烧杯中，加入一定量的硫酸，搅拌均匀，于60℃水浴锅中反应2小时，取出后离心分离，收集滤液。
4. 水解酶解离：将烘干后的木材置于烧杯中，加入一定量的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶，于37℃水浴锅中反应24小时，取出后离心分离，收集滤液。
5. 分析与比较：分别测定不同解离方法得到的滤液中的纤维素、半纤维素、木质素含量，比较不同解离方法对木质纤维的影响。
五、实验结果与分析1. 物理法解离结果：纤维素含量为40%，半纤维素含量为30%，木质素含量为30%。
2. 化学法解离结果：纤维素含量为50%，半纤维素含量为20%，木质素含量为30%。
3. 水解酶解离结果：纤维素含量为60%，半纤维素含量为40%，木质素含量为0%。
木质素的结构与生物降解性能
木质素的结构与生物降解性能木质素是一种存在于植物细胞壁中的复杂有机高分子化合物，它在植物界中广泛存在，尤其是在木质植物中的细胞壁中含量较高。
木质素的结构与生物降解性能是研究木质素功能和利用的重要内容。
首先，我们需要了解木质素的结构。
木质素具有多种不同结构的类似物，但最常见的木质素是由三个苯环通过间苯基和间甲基（3,4-二羟基苯基）连接在一起的共轭骨架构成。
这些苯环可以是单体或杂环，而共轭骨架可以使木质素具有很强的稳定性和抗降解性能。
除了共轭骨架，除去的羟基和甲基功能基团也对木质素的结构和性能发挥重要作用。
羟基基团在木质素中可承担自由基抗氧化作用，增加结构稳定性。
而甲基基团则与其他细胞壁聚合物（如纤维素和半纤维素）交互作用，增强细胞壁的机械强度。
然而，木质素的结构也限制了其生物降解性能。
由于共轭骨架和稳定的结构，纯净的木质素难以被微生物降解。
这使得木质素在环保工业和可再生能源领域的利用受到限制。
为了提高木质素的生物降解性能，研究人员通过多种途径进行了改性。
一种方法是使用化学手段改变其结构，如通过氧化、酚醛解聚等方法。
这些方法可以改变木质素的化学键和功能基团，使其更易于微生物降解。
然而，这些方法通常需要使用高温和强酸等条件，且效果不佳。
另一种方法是利用酶类来催化木质素的降解。
许多微生物，包括真菌和细菌，可以分泌特定的木质素酶来降解木质素。
这些酶可以打断木质素的结构，使其更易于微生物利用。
此外，还可以利用基因工程技术来改造微生物，使其能够高效降解木质素，并产生有经济价值的产物，如乙醇和生物柴油。
除了改变木质素本身的结构，还可以通过改变植物的基因来影响木质素的含量和结构。
一些研究发现，通过调控特定基因的表达，可以增加或减少木质素的积累。
此外，改变基因表达还可以调控木质素的组成，进一步提高其降解性能。
总的来说，木质素的结构与生物降解性能密切相关。
其共轭骨架和稳定的结构使得纯净的木质素难以被微生物降解，限制了其在环保工业和可再生能源领域的应用。
木质纤维素预处理方法
木质纤维素预处理方法
木质纤维素预处理方法
一、简介：
木质纤维素（Lignocellulose）是指以木质素和纤维素为主要组成的天然复合物，在工业上具有重要的经济价值，其中利用木质素和纤维素，可以生产食品、纸张、纤维，以及生物能源等。
但是，由于木质素和纤维素之间存在不可分解的结合，使得在发挥给物质的最大价值之前，需要对木质纤维素进行预处理。
二、预处理方法：
1、酸处理：即使用酸性条件，使木质素和纤维素失去结合，由于木质素比较稳定，所以以木质素的溶解速度最快。
酸的溶解作用不仅可以降低木质素和纤维素的结合，还可以使纤维素更容易被微生物降解。
2、碱处理：即使用碱性条件，使木质素和纤维素失去结合，碱处理的速度较慢，但是木质素的溶解速度较快。
碱处理的效果也可以使纤维素更容易被微生物降解。
3、酶处理：即使用多种酶，如淀粉酶、半乳糖酶等，对木质素进行处理，使木质素和纤维素失去结合，使纤维素更容易被微生物降解。
4、物理处理：通过物理方法打破木质素和纤维素的结合，如磨碎、挤压等，使木质素和纤维素更容易被微生物降解。
三、优缺点：
优点：
1、有助于木质素和纤维素之间的结合，使得木质纤维素更容易被微生物和化学反应降解；
2、可以分解木质素和可溶性糖分，增加木质素的可利用性；
3、有助于制备木质素类高分子物质，如纤维、纸张等；
4、提高纤维的分离可能性，提高产品利用价值。
缺点：
1、工艺复杂，需要耗费大量的能源和资源；
2、酸处理、碱处理或酶处理会导致毒素产生，污染环境；
3、物理处理可能会改变纤维的物理结构，影响其利用性。
直接降解木质素的漆酶／木聚糖酶体系的合成
漆酶／ 木聚糖酶体系 由白腐菌直接合成 ，然而 白腐菌在产漆酶的同时会产生纤维素酶和
半 纤 维素 酶 。 纤维 素 酶 的存在 则 会 引起 纤维素 的 降解 ，在 生物制 浆和 生物 漂 白时使纸 浆得 而 率 、强 度 下 降 。因此 本文 通 过产 酶 培 养条 件 的诱 导调控 ，合 成基 本 不含 纤维 素 酶 的漆酶 ／ 木
聚糖酶体系，拟 代替成本高、工艺复杂的漆酶／ 介体体系，为其今后的产业化应用提供技术 支 撑和 理 论依 据 。
收稿 日期 ：２ ０ ．９２ ０ ７０ ．９ 基金项 目：国家 自然科学基 金资助项 目 （ ０ ７ ６ ４ ３ ６ １５ ）研 究课题之一。 作者简介 ：叶汉玲 （ ９ ４ ） １５ ～ ，女，高级工程师 ；研究方 向：微生物发酵、酶工程 。
关键 词：漆 酶／ 木聚 糖酶体系 ：酶活 ；木质素
中图分类号 ：Ｑ ５ Ｏ６ ６２ ５； ３． 文献标识 码：Ａ
近年来的研究表明， 漆酶具有广泛的底物作用范 围， 可氧化的底物包括 ： 酚类及其衍生 物 、芳胺及 其衍 生物 、芳 香羧 酸及 其 衍 生物 等 。在 小分子 介 体存 在下 漆 酶可氧 化 的底 物 范 围
文 章编 号 ： １０ －４ ５２ ０ ）３０４ —７ ０ ４８ ０ （０ ８０ －０ １０
直接降解 木质素 的漆酶／ 木聚糖酶体 系 的合成
叶汉玲 １， ， ２ 王 玉秀 ， 严春华 １， ， ２ 尤 纪雪 １ ， ２
（ ．南京林业 大学 化学工程学 院： １
２ ．南京林业 大学 江 苏省制浆造纸科学与技术重点实验室 ，江 苏 南京 ２ ０ ３ ） １０ ７
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纤 维 素 科 学 与 技 术
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木质纤维素的酶降解工艺姓名：黄国昌学院：生命科学院学号：4056046045151.文献综述1.1 研究的意义能源问题是关系国民经济发展的大事，目前大多数国家仍以石油为主。
但从世界石油储量和消费量来看，今后全世界能开采的石油约2万亿桶，估计可再用50年左右，石油的最终枯竭是在所难免的，开发其替代品是人们关心的问题。
燃料乙醇属可再生资源，用它取代部分汽油，意义重大，有关人士称之为“一次能源的革命”。
将乙醇与汽油按一定的比例混配成的乙醇汽油，不仅能减少汽油消耗，而且能有效降低汽油尾气污染，推广和使用对于解决能源危机和环境污染具有重要的意义。
乙醇不仅是助燃剂，而且是抗爆剂，添加到汽油中可提高汽油的辛烷值，并能够降低环境污染。
美国加利福尼亚的科学家经研究认为，为了提高汽油辛烷值而加入汽油中的MTBE(甲基叔丁基醚)有致癌作用，虽有争议，但加利福尼亚州还是决定2002年起禁止使用MTBE，美国环保署现也同意逐步禁止使用。
乙醇可代替MTBE加入汽油，而且乙醇的燃烧在自然界形成自身的循环，减少了能够形成臭氧的污染物的排放，没有任何污染，且缓解地球的温室效应。
目前我国乙醇生产原料主要为国库备荒陈粮。
我国人口众多，粮食并不宽裕.陈粮毕竟有限，拓宽燃料乙醇生产原料，降低生产成本是势在必行，必须尽快加快研究。
就世界范围来说，尽管有报道称美国用于乙醇生产的玉米量至少可以扩大五倍而不会破坏其市场。
但人口的增长，可耕地的减少，粮食作为原料终究不能长久。
现在各国正致力于开发天然纤维素生产燃料乙醇，这主要是基于废物利用的考虑。
天然的木质纤维素资源是地球上最丰富和廉价的可再生资源，主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素(木素)，纤维素可水解为葡萄糖，能很容易地用酵母发酵成乙醇，半纤维素可水解为戊糖和已糖，也可用来发酵生产乙醇。
我国是农业大国，植物纤维资源也十分丰富，仅农业秸杆、皮壳就达4亿多吨，林业生产所提供的采伐和加工剩余物也有1000万吨之多，然而，在这庞大的数量中，人类仅能在建筑、造纸、纺织、燃料、饲料等方面利用其中极少的一部分。
随着世界人口的激增，粮食和能源的短缺将日趋严重，从天然纤维素生产燃料乙醇是一条解决能源危机的有效途径，因此，研究植物纤维素制燃料乙醇具有深远的现实意义。
1.2 木纤维素的性质木质纤维素的结构较复杂。
细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构,纤维素镶嵌其中。
纤维素是由葡萄糖通过β-1 ,4 糖苷键联接而成的线性长链高分子聚合物。
纤维素大约由500 到10 000个葡萄糖单元组成。
纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧基团之间形成氢键,这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构,并进而组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维素聚合物。
X-射线衍射的实验结果显示,纤维素大分子的聚集,一部分排列比较整齐、有规则,呈现清晰的X-射线衍射图,这部分称之为结晶区；另一部分的分子链排列不整齐、较松弛, 但其取向大致与纤维主轴平行,这部分称之为无定形区。
结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性。
因此高效利用纤维素的关键在于破坏纤维素的结晶结构,使纤维素结构松散,使得酶水解或化学水解更容易进行。
半纤维素在结构和组成上变化很大,一般由较短高度分枝的杂多糖链组成。
组成半纤维素的结构单元主要有:木糖、甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖,半乳糖等。
各种糖所占比例随原料而变化,一般木糖占一半以上。
半纤维素排列松散,无晶体结构,故比较容易被稀酸水解成单糖。
木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳碳键连接而成的高分子化合物。
木质素不能水解为单糖,在纤维素周围形成保护层,影响纤维素水解。
木质素中氧含量低,碳含量较高,其能量密度(27 MJ/kg) 较高,水解中留下的木质素残渣可作为燃料。
1.3 木质纤维素的水解工艺木质纤维素原料具有较复杂的结构特点,需要将其水解成单糖,才能被微生物发酵利用生产乙醇。
针对不同木质纤维素原料特性,需要采用不同的水解工艺,一般分为酸水解工艺和酶水解工艺。
1.3.1 酸水解工艺酸水解又分为浓酸水解和稀酸水解法。
1.3.1.1 浓酸水解工艺浓酸水解在19世纪即已提出,它的原理是秸秆纤维素在较低的温度下可完全溶解于72%的硫酸、42%的盐酸和77%～83%的磷酸中,导致纤维素的均相水解。
浓硫酸水解为最常用方法,其主要优点是糖的回收率高,大约有90%的半纤维素和纤维素转化的糖被回收。
William A Farone 等提出的浓酸水解工艺:生物质原料干燥至含水10%左右, 并粉碎到约3～5 mm。
把该原料和70%～77%的硫酸混合,以破坏纤维素的晶体结构,最佳酸液和固体质量比为1.25∶1 ,糖的水解收率达到90%左右。
浓酸对水解反应器的腐蚀作用是一个重要问题。
近年来在浓酸水解反应器中利用加衬耐酸的高分子材料或陶瓷材料解决了浓酸对设备的腐蚀问题。
浓硫酸法糖化率高,约有80%～90%纤维素能被糖化,糖液浓度高,但采用了大量硫酸,需要回收重复利用。
一种方法是利用阴离子交换膜透析回收,硫酸回收率约80% ,浓度20%～25% ,浓缩后重复使用。
该方法操作稳定,适于大规模生产,但投资巨大,耗电量高,膜易被有机物污染。
1.3.1.2 稀酸水解工艺主要工艺为: 木质纤维原料被粉碎到粒径2.5 cm 左右,然后用稀酸浸泡处理,将原料转入一级水解反应器,温度190 ℃,0.7 %硫酸水解3 min。
可把约20%纤维素和80%半纤维素水解。
水解糖化液经过闪蒸器后,用石灰中和处理,调pH 后得到第一级酸水解的糖化液。
将剩余的固体残渣转入二级水解反应器中,220 ℃,1.6 %硫酸处理3 min。
可将剩余纤维素中约70%转化葡萄糖,30%转化为羟基糠醛等。
经过闪蒸器后,中和,得到第二级水解糖液。
合并两部分糖化液,转入发酵罐,经发酵生产得到乙醇等产品。
在稀酸水解中添加金属离子可以提高糖化收率。
金属离子的作用主要是加快水解速度,减少水解副产物的发生。
近年来,Fe离子的助催化作用的研究令人关注。
Quang A Nguyen 等详细研究了Fe离子的催化效果。
华东理工大学等单位也对二价Fe 离子的催化效果进行了详细研究。
总的说来,稀酸水解工艺糖的产率较低,一般为50%左右,而且水解过程中会生成对发酵有害的副产品。
1.3.2 酶水解工艺应用酶催化可以高效水解木质纤维素,生成单糖。
酶水解工艺的优点在于:可在常温下反应,水解副产物少,糖化得率高,不产生有害发酵物质,可以和发酵过程耦合。
但是由于木质纤维素致密的复杂结构及纤维素结晶的特点,需要合适的预处理方法,使得纤维素分子成为松散结构,便于纤维素酶分子与纤维素分子的结合,然后通过纤维素酶分子的催化作用,高效地水解产生单糖。
因此木质纤维素酶水解工艺必然包含原料预处理的重要步骤。
1.3.2.1 原料预处理利用化学和物理方法进行预处理,使纤维素与木质素、半纤维素等分离开,同时纤维素内部氢键打开,成为无定型纤维素。
此外,还进一步打断部分糖苷键,降低聚合度,半纤维素被水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。
经预处理后,有的纤维素的酶法降解速率甚至可以与淀粉水解相比。
1) 物理法物理法主要是机械粉碎。
可通过切、碾和磨等工艺使生物质原料的粒度变小,增加和酶接触的表面积,更重要的是破坏纤维素的晶体结构。
2) 物理化学法a) 蒸汽爆裂(自动水解)蒸汽爆裂是木质纤维素原料预处理较常用的方法。
蒸汽爆裂法是用高压饱和蒸汽处理生物质原料,然后突然减压,使原料爆裂降解。
主要工艺:用水蒸汽加热原料至160～260 ℃( 0.69～4.83MPa) ,作用时间为几秒或几分钟,然后减压至大气压。
由于高温引起半纤维素降解,木质素转化,使纤维素溶解性增加。
蒸汽爆破法预处理后木质纤维素的酶法水解效率可达90%。
蒸汽爆裂法的优点是能耗低,可以间歇也可以连续操作。
主要适合硬木原料和农作物秸秆。
但蒸汽爆裂操作涉及高压装备,投资成本较高。
连续蒸汽爆裂的处理量较间歇式蒸汽爆裂法有增加,但是装置更复杂,投资成本大为增加。
b) 氨纤维爆裂氨纤维爆裂(ammonia fiber explosion , AFEX) 法是将木质纤维素原料在高温和高压下用液氨处理,然后突然减压,造成纤维素晶体的爆裂。
典型的AFEX工艺中,处理温度在90～95 ℃,维持时间20～30 min ,每千克固体原料用1～2 kg 氨。
氨纤维爆裂装备与蒸汽爆裂装备基本相同,另外需要氨的压缩回收装置,因此投资成本也很高。
c) CO2爆裂CO2爆裂原理与水蒸汽爆裂原理相似,在处理过程中部分CO2以碳酸形式存在,增加木质纤维素原料的水解率。
主要工艺:用4 kg CO2处理每公斤木质纤维素原料,在5.62 MPa 压力处理后减压爆裂处理,其效果比蒸汽爆裂法和氨纤维爆破法差,更缺乏经济竞争力。
3) 化学法a) 稀酸预处理法前面已介绍稀酸水解产率低,但其破坏纤维素的结晶结构,使原料结构疏松,从而有利于酶水解。
经过稀酸处理后可以显著提高纤维素的水解速率。
b) 碱预处理碱处理法是利用木质素能够溶解于碱性溶液的特点,用稀氢氧化钠或氨溶液处理生物质原料,破坏其中木质素的结构,从而便于酶水解的进行。
碱处理机理在于OH-能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键。
稀NaOH 处理引起木质纤维原料润胀,结果导致内部表面积增加,聚合度降低,结晶度下降,木质素和碳水化合物之间化学键断裂,木质素结构受到破坏。
碱处理木质纤维原料的效果主要取决于原料中的木质素含量。
4) 其它预处理方法文献报道还有臭氧处理、有机溶剂处理、氧化处理等木质纤维预处理方法,但这些方法都因缺乏竞争力而很少被应用。
1.3.2.2 酶催化水解木质纤维素原料经过适当预处理后,可以利用纤维素酶催化水解纤维素生成葡萄糖,其优点是反应条件温和(50 ℃,pH 4.8) ,不发生副反应。
细菌、真菌及动物都可以产生可以水解木质纤维素原料的纤维素酶。
纤维素酶是一种很复杂的酶,是由几种酶共同作用下降解纤维素的。
酶降解纤维素至少需要三种酶协同作用: (1) 内切葡聚糖酶( EG, endo-1 ,4-D-葡聚糖水解酶,或EC3.2.1.4) ,攻击纤维素纤维的低结晶区,产生游离的链末端基; (2) 外切葡聚糖酶,常称纤维二糖水解酶(CBH ,1 ,4-p-D-葡聚糖纤维二糖水解酶,或EC3.2.1.91) ,通过从游离的链末端脱除纤维二糖单元来进一步降解纤维素分子; (3) 葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.21) ,水解纤维二糖产生葡萄糖。
纤维二糖和葡萄糖对于纤维素酶的催化作用具有强烈的反馈抑制作用。
要提高纤维素酶水解纤维素的效率,必须解除纤维素酶的反馈抑制。
因此将纤维素酶水解与发酵产乙醇进行耦合,使得中间产物纤维二糖和葡萄糖的浓度保持很低水平,从而可以解除其反馈抑制作用。