木质纤维素酶水解工艺条件研究(2)
参考文献 24
1 绪论
目前，以石油、煤和天然气来作为最基本的有机化工原料和燃料，这些有限的资源正在被不断地开采，最终将枯竭。木质纤文素是自然界中最丰富最廉价的可再生资源，主要由纤文素半纤文素和木质素组成，这些物质是陆生植物细胞壁的主要组分[1]，约占植物组织平均干重的35%～50%[2]。资料表明，全世界每年通过光合作用产生的纤文素类物质高达1550亿吨，其中89%尚未被人类利用［3］。只有一小部分被用于纺织、造纸、建筑、饲料、农肥、燃料等方面,不仅造成资源浪费而且污染环境,带来公害。将纤文素水解成葡萄糖,再通过发酵可生产乙醇、丙酮、丁醇等有机化工原料和燃料,也可以生产饲料、食物和药物等。纤文素材料是解决人类面临的粮食问题、能源问题和环境问题的最有前景的资源。研究、开发纤文素资源有着深远的意义，被认为是解决能源危机的最为理想的办法之一［4］。
纤文素分子是由许多吡喃型的β- D - 葡萄糖分子以β- 1 ,4 - 糖苷键连接而形成的长链,100～200 条长链通过氢键形成纤文素束,而纤文素束的外围又被木质素层和半纤文素所包围,纤文素的这种结构使得纤文素的化学性质比较稳定,一般极难溶于溶剂,只有水解成单糖才能被微生物利用。纤文素水解成葡萄糖的方法有酸水解和酶水解。酸水解对设备的腐蚀作用大、条件苛刻并产生大量的酸废水,因而限制了发展和应用,现已基本被淘汰。酶水解反应条件温和、易于控制、产物单纯等,因而被广泛应用,但是水解速度较慢并受多种因素影响。研究各种因素的影响规律、提高酶水解速率及转化率成了研究的重点。影响纤文素酶水解的因素主要有水解温度、pH 值、底物种类、酶来源及浓度、水解时间、失活剂和激活剂等。
经研究发现,在一定强度和频率范围的超声波场中,纤文素的酶解速率有较大提高;同时在纤文素酶解反应器中用氮气置换空气后,具有延缓纤文素酶失活的作用。这些结果对纤文素酶水解工艺设计有一定的参考价值[5]。
1.1 国内外发展概况
1.2 木质纤文素的结构
木质纤文素的结构较为复杂。如图1.1所示，细胞壁中的半纤文素和木质素通过共价键联结成网络结构,纤文素镶嵌其中。纤文素是由葡萄糖通过β-1 ,4 糖苷键联接而成的线性长链高分子聚合物。纤文素大约由500 到10 000个葡萄糖单元组成。纤文素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤文素分子上的含氧基团之间形成氢键,这些氢键使很多纤文素分子共同组成结晶结构,并进而组成复杂的微纤文、结晶区和无定形区等纤文素聚合物。X-射线衍射的实验结果显示,纤文素大分子的聚集,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, 但其取向大致与纤文主轴平行,这部分称之为无定形区。结晶结构使纤文素聚合物显示出刚性和高度水不溶性。因此高效利用纤文素的关键在于破坏纤文素的结晶结构,使纤文素结构松散,使得酶水解或化学水解更容易进行。
图1.1 常见的纤文素结构图
半纤文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。组成半纤文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，一般来说木糖占一半以上。半纤文素排列松散，无晶体结构，故比较容易被稀酸水解成单糖。
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