丛生竹纤维的预处理及酶解发酵产乙醇

在利用生物纤维酶水解转化乙醇时，天然状态的竹质纤维未经预处理其酶解率极低，预处理成为竹纤维生物转化燃料乙醇工艺的关键技术瓶颈之一。同时，乙醇产率不高的另外两个主要原因，一是木质纤维酶解率较低，其二是酶水解半纤维素和纤维素得到五碳糖/六碳糖不能同时有效地被利用转化为燃料乙醇。
　　 本文基于探索竹纤维蒸汽爆破预处理的最佳参数和提高发酵产乙醇产量的目的，进行了竹纤维蒸汽爆破预处理，混合纤维素酶酶解竹爆破渣，竹爆破渣混合菌发酵生产乙醇的工艺等方面的研究，得出了以下结论:
　　 (1)蒸汽爆破预处理时，原料粉碎至0.5-1.0cm，通过蒸汽爆破能适度破坏竹子内部结构，得到还原糖得率较高为6.85％。原料含水率在10％时可有效促进半纤维素在蒸汽爆破过程中溶出，去除部分木质素，得到还原糖得率最高为7.95％。随着爆破压力增加和保压时间延长，爆破渣还原糖得率大体上逐渐提高，半纤维素、纤维素、木质素有相应的降解，同时实验证实汽爆压力对爆破效果更为显著。而剧烈的爆破条件下（压力＞3.5Mpa、时间＞240s），还原糖得率会有所下降，所以建议蒸汽爆破预处理竹子以爆破压力达到3.0Mpa和保压时间维持在240s为宜。
　　 (2)酶解以蒸汽爆破预处理的丛生竹为原料，主要对影响纤维素酶解的七个因素进行了全面考察，并对酶解温度、pH、酶的用量、β-葡萄糖苷酶/滤纸酶的比这四因素进行正交优化研究，优化并得出了酶解竹纤维的最适宜工艺条件为:酶解温度为50℃、初始pH为5.2、底物浓度为10％、吐温-20为0.3％、加入的酶量为35IU/g、β-葡萄糖苷酶酶活/滤纸酶的比为1.0、酶解48h。利用发酵罐进行验证放大实验，可产生30.37g/L的还原糖，糖化率为57.49％。
　　 (3)在优势发酵菌的作用下，将经蒸汽爆破预处理及混合纤维素酶水解后的竹纤维转化为乙醇。当分别加入发酵菌种KO11、酿酒酵母、KO11和酿酒酵母时，进行10％底物分步糖化发酵(SHF)，可产乙醇分别为8.37g/L、13.08g/L、14.60g/L，乙醇得率分别为31.07％、48.55％、54.20％，说明组合菌发酵产乙醇效果最好。用组合菌进行同步糖化共发酵(SSCF)，底物浓度为10％时，可产乙醇为16.81g/L，乙醇的得率为63.39％，与SHF相比，SSCF乙醇产率提高了16.96％;当提高底物浓度时会造成酶解糖化效率降低，但分批补料在一定程度上可提高底物的利用率;在发酵过程中改变温度对提高发酵效果不是很明显，发酵时转速选择120r/min较适宜。用发酵罐进行放大实验，当发酵到96h时，可产乙醇17.65g/L，乙醇的得率为65.52％。
　　 (4)对爆破渣和酶解发酵残渣进行SEM电镜扫描，SEM观察发现去纤维化随着爆破压力增高和时间延长而加剧，一定程度上破坏了木质纤维素的结构，分离出纤维素，提高了纤维素的粗糙度和增加孔隙结构，提高了纤维素酶对其的可及性，酶解后半纤维素和纤维素碎片基本被降解，有助于发酵对竹子半纤维素和纤维素的转化利用。