超声-碱预处理促进草坪草酶解产糖及发酵产酸研究

作者 王思琦
资源匮乏和环境问题日益显著,开发绿色可再生资源迫在眉睫。挥发性脂肪酸(VFAs)是众多可再生资源的一种,具有高附加值并且应用广泛。VFAs可以用作污水处理的外加碳源、合成高分子聚合物等多种化工产品(如生物塑料、中长链脂肪酸等)的原材料、生产生物能源的前驱体。木质纤维素类物质是地球上最丰富的可再生资源,其中草类生物质属于纤维素生物质中最为常见的一类,具有产量高、投入低、生长迅速、常年生长、适应性广和木质素含量低等优势。因此高效利用草类生物质资源生产VFAs具有重要的意义。为此,本研究以草坪草为原料,结合超声(US)空化作用和碱去木质素的优势对草坪草进行预处理,探讨US-碱预处理对草坪草结构破坏、酶解产糖及发酵产VFAs的影响,引入固液分别发酵促进US-碱预处理草坪草的发酵产VFAs,采用膜吸收法分离回收水解酸化液中的VFAs,建立一套结合US-碱预处理促进草坪草水解、固液分离促进发酵产酸、膜吸收分离回收VFAs的草类生物质高值化应用新模式。以草坪草为原料,探讨US-碱预处理对草坪草酶解产糖的影响机制。US-氢氧化钙(Ca(OH)_2)预处理可有效促进草坪草酶解产糖。在优化条件下,还原糖产量达到414.0 mg/g;预处理前后的草坪草的组分含量分析表明,US-Ca(OH)_2预处理实现了高效的半纤维素和木质素去除,分别达到13.90%和66.30%,US和Ca(OH)_2预处理可协同破坏纤维素-半纤维素-木质素网络结构;结晶度指数和红外光谱分析结果显示,US-Ca(OH)_2预处理促进了木质素和半纤维素的溶解,引起草坪草内部无定形部分的破坏,从而提高纤维素的结晶度;扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察显示,US-Ca(OH)_2预处理可有效破坏草坪草的表面结构,增强表面粗糙度,提高酶对草坪草的可接触性,从而促进草坪草的酶解糖化。以草坪草为原料,研究US-Ca(OH)_2预处理对草坪草发酵产VFAs的影响。US-Ca(OH)_2预处理草坪草的VFAs产量达到3122 mg/L,与原草发酵相比提高了90.70%。US-Ca(OH)_2预处理可有效促进草坪草木质素和半纤维素的去除,提高草坪草与微生物和酶的接触面积,从而提高VFAs产量。底物浓度和发酵过程p H条件优化结果表明,在1%的底物浓度条件下,VFAs产量达到3028 mg/L,单位质量草坪草的VFAs产量最高,达到302.8 mg/g TS,同时挥发性固体(VS)降解率达到47.31%。维持发酵产酸过程p H为中性有利于提高VFAs产量,最高可达43944 mg/L,VS降解率提高到59.50%。固液分别发酵对草坪草发酵产VFAs的结果发现,固液分别发酵促使VFAs产量达到515.0 mg/g TS,VS降解率达59.70%,充分利用了预处理产物中的有机物,其中Halocella和Ruminiclostridium在草坪草发酵产VFAs过程中发挥了关键作用。US-Ca(OH)_2预处理、底物浓度和发酵p H优化、固液分别发酵均对草坪草发酵产VFAs具有促进作用。以草坪草的水解酸化液为原液,研究膜吸收工艺分离回收VFAs的可行性及工艺优化。以疏水性中空纤维膜组件构建膜吸收装置,以Na OH作为吸收液,通过膜吸收可以实现VFAs回收。膜吸收过程优化条件为温度55℃、水解酸化液p H=3、吸收液浓度0.10 mol/L和流量100 ml/min。在优化条件下,VFAs表观回收率达到103.84%。连续运行5个周期后,SEM观察显示膜表面有污染物粘附,其中无机污染主要是Si和Ca,VFAs通量和表观回收率降低到原来的76.22%和76.11%。经过乙醇清洗后可实现膜吸收效果的有效恢复,VFAs的通量和表观回收率达到原来的96.47%和97.21%,膜清洗有利于膜的重复利用和膜寿命的延长。

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