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纤维素乙醇生产中乙二胺预处理及酶解过程的研究

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木质纤维素生物质作为分布广泛、储量丰富的可再生资源，可以用来生产各类生物燃料和化学品。纤维素制糖是转化过程的核心过程。由于木质纤维素的抗性结构，使天然纤维素的酶解转化效率非常低。本研究开发出了一种新的预处理方法—乙二胺预处理，使木质纤维素的酶解转化效率极大程度地提高，并且对乙二胺预处理过程的反应机理以及预处理对酶解和发酵过程的影响进行了分析。 与其它预处理方法相比，如氨水预处理，乙二胺预处理能够通过一种更简便的操作方式来提高生物质的可降解性。预处理过程是在常压下将乙二胺与木质纤维素的混合物加热，使乙二胺挥发。优化后的预处理条件为：150 oC、0.8 mL乙二胺/g生物质，此条件下葡聚糖的酶解转化率达90%以上。这种方法的条件相较于氨水预处理更温和、更有经济性。 乙二胺预处理通过改变纤维素晶型，降解并转移木质素来提高纤维素酶解转化率。在预处理后，纤维素I可转化为纤维素III和非结晶纤维素，并且纤维素III的得率随反应温度降低或乙二胺添加量增加而提高。木质素的降解也受温度和乙二胺添加量的影响。预处理过程中，木质素中对香豆酸和阿魏酸的酯键可以被氨基化，连接酚类单体的醚键也被切断。同时木质素聚集形成球形颗粒并附着于细胞壁的表面，细胞壁内部出现分层，使得纤维素的可接触面积增加。 通过对预处理生物质的成分分析，发现可溶性木质素（酚类）浓度的增加是导致高固体负荷酶解转化率下降的重要原因。酚类可以使纤维素酶失活或者沉淀。提高纤维素酶浓度或纤维素浓度可以降低酚类对酶解的抑制作用。酚类对酶解的抑制率与酚类浓度呈线性关系，而与酶和纤维素浓度呈指数关系，因此当木质纤维素底物和酶浓度同比例增加，即增加酶解固体负荷时，抑制率增加。酚类物质的化学结构也影响抑制率。酚类对酶解的抑制机理与大分子木质素对酶解的抑制机理不同。 将乙二胺预处理生物质中的可溶物与不溶物对酶解的抑制作用进行了定量分析。乙二胺预处理生物质中可溶物的抑制作用强于稀酸预处理和蒸汽爆破预处理，而不溶物的抑制作用低于其它预处理方法。乙二胺预处理生物质中的可溶物对同步糖化共发酵过程起双重作用。随着可溶物浓度的增加，葡聚糖和木聚糖的酶解转化率单调地降低；而酿酒酵母利用木糖速率、细胞活力和乙醇得率在低浓度的可溶物中受到促进。可溶性木质素在不添加任何营养成分的情况下能够起到促进糖代谢效率和乙醇得率的作用。

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