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随着世界工业化不断发展,各国对能源的需求不断加大。化石能源作为主要原料,其储存量日益减少。燃料乙醇作为一种可以再生的清洁能源,越来越受到关注(廖合等,2006)。二代燃料乙醇原料为木质纤维素,主要包括甘蔗渣、秸秆等。甘蔗渣是糖厂制糖的副产物,中国作为甘蔗生产大国,以甘蔗渣为原料生产二代燃料乙醇具有很大潜力(梁坤等,2003;聂艳丽等,2007;刘洋等,2017)。
木质纤维素生产二代乙醇的关键步骤是预处理,其作用是打破天然木质纤维素的坚固结构,暴露更多的纤维素,有利于纤维素与酶的结合、提高酶解效率(CapolupoandFaraco,2〇16)。常见预处理方法以化学法为主,其中酸预处理主要去除木质纤维素中的半纤维素,将半纤维素的杂多糖水解成单糖;碱预处理主要去除木质素,使木质素的醚键断裂生成小分子酚类物质,溶解到预处理液中(Zengetal.,2014)。
近年来,稀硫酸作为酸预处理方法广泛地应用于各类木质纤维素,表现出很好的半纤维素去除效果和对纤维素影响小的特点(张鸭关等,2016)。本研究尝试用氨基磺酸作为一种新的酸预处理试剂,用于甘蔗渣的预处理。氨基磺酸又称固体硫酸,其水溶液具有和盐酸、硫酸相似的酸性。相比于硫酸和盐酸,氨基磺酸还具有不挥发、不吸湿、无腐蚀性、便于运输等优点(白忻平,1996),是一种安全、化学性质稳定的预处理试剂。本研究探讨了氨基磺酸的预处理条件,比较氨基磺酸、硫酸、盐酸预处理的效果,以及对后续纤维素酶解的影响。
1结果与分析
1.1不同氨基磺酸浓度预处理对甘蔗渣成分的影响
在i2rc用不同浓度的氨基磺酸预处理甘蔗渣1h,其固体成分变化明显(表1)。随着氨基磺酸浓度增加,固体回收率逐渐降低。纤维素含量均比未预处理的升高,当氨基磺酸浓度为3%时,纤维素含量达到最高55.43%。半纤维素含量均比未预处理的降低,当氨基磺酸浓度为5%时,半纤维素的去除率达到最高72.60%,说明在酸性条件下,半纤维素比较容易被去除。木质素的去除率在氨基磺酸浓度4%时达到最高,为26.8%。其他成分(包酯类和蛋白质)的去除率在各浓度下约为80%。综合比较预处理后甘蔗渣的固体成分,当氨基磺酸浓度从1%上升到3%时,预处理的效果明显增强;当氨基磺酸浓度从3%上升到5%时,结果差异不大(p>0.05),因此选择3%作为氨基磺酸的最佳预处理浓度。
1.2不同预处理温度对甘蔗渣成分的影响
在不同温度下,用3%氣基磺酸预处理甘蔗渣1h,其固体成分中,温度对预处理效果有较显著的影响(表2)。随着温度升高,固体回收率逐渐降低,从60°C时的88.58%降低到121°C时的64.45%。与之相应,在121°C预处理温度下,固体中的纤维素含量达到最高为55.43%;半纤维素含量达到最低为10.62%,半纤维素的去除率达到最高为70.81%;木质素的去除率达到最高为25.10%,其他成分的去除率达到最高为83.31%。这组结果均显著高于其他温度组,说明在高温下,有较多的半纤维素、木质素和其他成分溶解于预处理液中。较高的半纤维素、木质素的去除率有利于提高纤维素酶与纤维素的可及性,因此选择i2rc作为氨基磺酸的最佳预处理温度。
1.3不同预处理时间对甘蔗渣成分的影响
在121°C,用3%氨基磺酸预处理甘蔗渣不同的时间,从固体成分(表3)来看,预处理时间对预处理效果的影响不显著。随着处理时间延长,固体回收率逐渐降低,从0.5h的65.72%降低到2.5h的62.70%。纤维素含量变化不大,为55.89%~57.40%。半纤维素去除率在预处理0.5h时为63.66%,在预处理时间为1h时,半纤维素去除率显著高于0.5h组0^0.05)。当预处理时间为1~2.5h时,半纤维素去除率由70.81%上升到71.91%,差异不显著(^>0.05)。木质素去除率变化不大,为25.10%?28.33%。其他物质去除率约80%。在预处理时间为lh时,半纤维素去除率最大,增加了纤维素酶与底物的可及性。在纤维素和木质素成分上和其他时间相差不大,预处理时间延长可能还会产生更多抑制物,因此选择1h为氨基磺酸的最佳预处理时间。
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