利用稀酸预浸、湿爆预处理和酶处理水解芒草生产生物乙醇外文翻译资料

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利用稀酸预浸、湿爆预处理和酶处理水解芒草生产生物乙醇

Annette Soslash;rensen, Philip J. Teller, Troels Hilstroslash;m, Birgitte K. Ahring ^*

环境微生物学和生物技术

摘要：芒草（Miscanthus）是一种高产的生物能源作物。在这项研究中，我们使用酸预浸，湿爆和酶水解来评估生物乙醇生产的不同预处理方法与芒草的组合。酸预浸泡主要是为了在湿爆之前除去木糖。酸预浸提取63.2％木糖和5.2％葡萄糖。发现预浸生物质的直接酶促水解仅仅只有24-26％葡萄糖的低糖产率。湿式爆炸是一种结合湿式氧化和蒸汽爆炸的预处理方法。使用大气和过氧化氢作为氧化剂研究了未经预浸和预浸的芒草湿爆的影响。所有湿式爆炸预处理都显示出对木质纤维素生物质具有破坏作用，使得糖可用于酶水解。发现预浸，湿爆和酶水解的组合产生最高的糖产率。使用大气空气产生最高的木糖产量（94.9％木糖，61.3％葡萄糖），而过氧化氢产生最高的葡萄糖产率（82.4％木糖，63.7％葡萄糖）。

关键词：生物乙醇；芒草；预处理；预浸；湿爆

1.简介

由植物生物质生产的生物乙醇是化石燃料的许多可再生能源替代品之一。 由于液体燃料的分配系统已经存在，因此作为汽油的替代品生物乙醇具有巨大的潜力，而具有当今发动机的常规汽车无需进一步调整即可运用高达10％的乙醇。

木质纤维素植物材料是最丰富的生物质资源之一。木质纤维素中含有的糖可以发酵成乙醇。这些糖的可及性因植物种类而异，但由于木质纤维素结构的木质素密封，通常难以进入。

现今已经开发了通过各种物理，化学和酶促方法的预处理来破坏木质纤维素结构，从而释放糖单体。物理预处理包括机械减少生物量和蒸汽爆炸，而化学预处理包括酸/碱水解或在蒸汽爆破过程中加入高压氧，从而结合物理和化学处理 酶水解依赖于物理和化学预处理以暴露糖寡聚物/聚合物。

结合蒸汽爆炸和湿式氧化形成湿式爆炸过程，其包括化学降解和生物质的物理破裂。

研究发现葡萄糖和木糖的糖回收在例如温度方面具有不同的最佳条件。高温能使葡萄糖产率最大化，而较低温度对于木糖产率是有利的。由于这种问题性质，稀酸水解和湿法爆炸的组合被认为在两种不同的过程中产生木糖和葡萄糖，每种过程都可以优化而不会对另一过程的糖产率产生负面影响。稀硫酸将主要水解生物质中的半纤维素，从而允许从生物质中提取木糖，而湿爆炸将破坏细胞壁结构并使葡萄糖的高聚物/低聚物更容易进行酶水解。

芒草可以长到4米高。植物的高度取决于物种和生长条件。芒草的一大好处是其丰富的生物量产量。产量取决于何时收获芒草。在北欧，已发现芒草杂交种产量高达25吨/公顷，而在欧洲中部和南部，巨芒产量高达38吨/公顷，而中国芒杂交种产量高达41吨/公顷。

在这项研究中，研究了在湿爆预处理之前芒草的稀硫酸预浸的效果。使用大气空气以及过氧化氢作为氧化剂进行湿式爆炸。在湿法爆炸之后，进行生物质的酶促水解，以评估生产乙醇的最终可行性。

2.实验

2.1 原材料

在秋季期间在丹麦（Skovlunde）的当地场地收获芒草，并在低于45℃的温度下风干，获得92-94％的干物质含量。 将干燥的芒草锤磨至粒径为1-3mm。

2.2 化学分析

根据NREL程序“生物质中总固体含量的测定，2005版”和“生物质中灰分的测定，2005版”，确定芒草的总固体（TS），挥发性固体（VS）和灰分含量”。 VS定义为TS减去灰分，它是在105 LC和575 LC之间的温度下燃烧的固体。

通过强酸水解（72％w / w硫酸，30℃，60分钟）分析芒草的葡萄糖和木糖含量，然后进行稀酸水解（4％w / w硫酸，121℃，60分钟）。 随后通过HPLC分析进行糖分析。 这些分析如NREL程序“生物质中结构碳水化合物和木质素的测定，2006版”所述进行。

2.3 稀酸预浸优化

为了优化预浸，检查树不同的温度（80，90，100LC）和五种不同的硫酸浓度（0.50，0.75，0.10，1.25，1.50％）。这些预浸料在12个不同的时间段（3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，23，25小时）进行，使用10％TS的溶液。使用HPLC分析所有样品。

2.4 样品制备

通过弱酸水解预处理锤磨的芒草：将生物质在0.75％v / v硫酸溶液（10％TS）中在100℃下浸泡14小时。 将预浸的生物质真空过滤。 将生物质在水中洗涤并再次真空过滤。 通过HPLC分析滤液和洗涤水的糖含量，同时在湿式爆炸反应器中进一步处理生物质。

2.5 湿式爆炸反应

湿式爆炸过程在丹麦技术大学建造的湿式爆炸反应堆中进行。该反应器配备有高压高压釜，其具有气/液入口，搅拌和加热选项，以及用于收集湿爆炸材料的闪蒸罐。

通过将没有浸泡的芒草或预先浸泡的芒草悬浮在水中以达到约15％的干物质含量，分批进行湿式爆炸实验。为了测试以不同形式添加的氧的效果，进行了两个不同的实验。使用大气空气和过氧化氢来模拟与易于接近的大气空气形式的氧气反应，以及在更苛刻的液体过氧化氢形式中与氧气反应。将湿式爆炸反应器加热至170℃的温度，并加入对每个实验特定的气体或液体。通过减压阀将空气作为200巴的压缩空气引入反应器。当压力达到18巴时，通过蒸汽爆炸将生物质闪蒸到闪蒸罐中。通过打开阀门以释放压力来执行闪光。在液体过氧化氢作氧化剂的情况下，使用35％的溶液，并加入体积以达到5.2g氧气/ g VS的最终氧气浓度。一旦所有过氧化氢与生物质反应，生物质就闪蒸，如轻微的温度下降所示。预处理的大致时间是在170℃的温度下5分钟。

2.6 酶水解

商业纤维素酶（Celluclast 1.5L）和beta;-葡糖苷酶（Novozym 188）（Novozymes A / S Denmark）的酶促可转换性用于确定湿爆预处理的效率。在0.2M柠檬酸盐缓冲液（pH4.8）存在下，在7％TS下进行湿法爆炸生物质的酶促反应。 在50ml批次小瓶中一式三份进行酶促水解，将其置于50℃的培养箱中并以150rpm摇动96小时。 施加的酶载量为200ll / 10ml Celluclast1.5mu;l和100mu;l/ 10ml Novozym 188，分别相当于45FPU / g TS和55FBG / g TS。取出样品，离心（10,000rpm，2分钟），用水稀释3倍，并在HPLC分析之前通过0.45lm过滤器过滤。

1. 结果与讨论
   1. 芒草的组成

对于本研究中使用的芒草，发现葡萄糖和木糖浓度分别为0.44g / gTS和0.21g / gTS，参见表1。

表1 芒草的组成

3.2稀酸浸泡预处理

与纤维素相比，半纤维素具有无规的无定形结构，强度很小并且易被稀酸水解。因此，当用稀硫酸溶液预处理生物质时，木糖比葡萄糖更容易释放。

半纤维素被认为是由两种不同的部分组成的双相底物：一种易于水解，一种难于水解。据报道，易水解部分占各种木质纤维素材料中半纤维素损失的60-80％。

我们对稀酸预浸优化的研究表明，在100 ℃处预浸泡可以释放芒草中约70％的木糖，见图1。

从图1中我们进一步发现，根据Est-eghlalian等人。酸浓度的差异将影响木糖提取率。然而，与我们的实验相比，他们的研究使用了更高的温度（180 ℃）。

当在100℃下使用0.75％酸时，提取了大约70％的总木糖。这些70％与Kim等报道的60-80％易水解半纤维素的估计含量基本一致。此外，温和条件的应用已经显示出在发酵水解产物时避免抑制性化合物具有积极作用。如果通过将预浸条件转移到更苛刻的条件来寻求更高的木糖提取，则可能导致抑制化合物的形成，从而使随后的发酵更为复杂。

在湿式爆炸之前，使用0.75％硫酸在100℃下进行预浸泡14小时，导致木糖提取率为63.2％。这符合图1中所示的结果。另外，发现通过预浸提取得到5.2％的葡萄糖。

在预浸前后测定TS的灰分含量; 数据如表2所示。

表 2 灰分含量占TS的百分比

木糖的糖的提取将降低生物质的VS并且增加灰分含量占TS的百分比。但是，如表2所示，灰分含量显着降低。这可以通过以下事实来解释：盐和矿物质在预浸泡中与糖一起被洗掉，导致灰分含量的总体降低。

在10％TS溶液中提取63.2％的木糖导致液体中木糖浓度约为13g / l。可以说，这种浓度对于预浸工业乙醇发酵的作用不够大。然而，所有实验都是在实验室规模上分批进行的。在较大的工业规模中，装置将是不同的，通过使用具有逆流洗涤水流量的连续过程可以增加糖浓度。

为了证明除了预浸可以使糖反应之外还需要额外的处理，在预先浸泡的芒草固体部分上进行酶 - 水解。正如所料，葡萄糖产量很低，介于24％和26％之间。因此，木质纤维素生物质需要通过湿式爆炸进一步破坏以使糖易于反应。

3.3湿式爆炸预处理

在湿爆后，研究产品的灰分含量；数据如表2所示。

在湿爆炸之前，应将未预先浸泡的湿爆炸产品的灰分含量与未预先浸泡的芒草的灰分含量进行比较，而且应将预浸湿的爆炸产品的灰分含量与预先浸泡的芒草的灰分含量进行比较。

因为在湿式爆炸氧化过程中碳基生物质被氧化，所以产品的灰分含量增加。这与生物质是否已经预先浸泡无关。

在湿式爆炸过程中也会发生其他降解反应，美拉德反应是造成糖损失和木质素热分解为香草醛的主要原因。这些反应的一些产物非常易挥发，并且在所有湿式爆炸期间都观察到独特的甜味。发现预浸后芒草的灰分含量增加最大，因此表明与未预浸的相比预浸可以提高氧化活性，见表2。

由于灰分含量的增加，挥发性固体已经被氧化，包括最脆弱的糖是单糖。这代表了一个问题，因为氧的添加导致生物质的所有碳基组分的氧化。然而，就过程效率而言，由于木质素氧化导致的糖聚合物/寡聚物的释放超过了该过程中糖类的损失。这适用于氧气的添加不代表整个过程中的任何成本的情况。当以过氧化氢的形式添加氧气时，由于与购买过氧化氢相关的成本增加，总工艺成本急剧增加，并且灰分含量的增加表明在湿爆过程之后可获得的总碳基组分降低了。

3.4 湿式爆炸芒草的酶可转化性

通过应用Novozym 188和Celluclast 1.5评估湿式爆炸生物质的酶促可及性对于不同的湿爆炸条件。与湿式爆炸后游离糖的直接测量相比，酶水解的产率列于表3中。

表3葡萄糖的产率百分比^a 和木糖产率百分比^a

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