慈竹制丁醇工艺技术的研究(摘要)

殷艳飞(1.中国林业科学研究院，北京100091;2.中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏南京210042)

探讨了慈竹材的不同预处理方法和条件与水解过程单糖转化率和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum 8011)发酵生产丁醇的关系，考察了慈竹为原料生产丁醇的可行性。研究了竹材经过6种不同的预处理方式(包括化学法预处理:硫化钠/氢氧化钠(Na2S/NaOH)法;机械-化学法预处理:盘磨-氢氧化钠(NaOH)法、盘磨-氢氧化钠/过氧化氢(NaOH/H2O2)法、盘磨-氨水法、盘磨-氨水/氢氧化钾(KOH)法、盘磨-氨水/磷酸钾(K3PO4)法等)对其酶水解的影响。研究了不同方法预处理后的物料的化学组成、水解产物中糖的种类和组分变化。综合考虑预处理方式改善水解效率的程度，证实化学法硫化钠/氢氧化钠(Na2S/NaOH)预处理效果最优。优化了硫化钠/氢氧化钠(Na2S/NaOH)预处理后物料的纤维素酶水解工艺条件。采用优化后的酶水解工艺条件，制备硫化钠/氢氧化钠(Na2S/NaOH)预处理物料的纤维素酶水解液，选用丙酮丁醇梭菌作为发酵菌株，优化该菌株的最优培养基组分，通过Plackett-Burman实验，最陡爬坡实验和中心组合设计实验方法，分别进行厌氧发酵制取丁醇，测定了丁醇的浓度。

1)为了提高纤维素酶水解的转化率，采用单因素和正交试验设计方法，对不同预处理方法的工艺参数对酶水解液还原糖产率的影响进行了探讨，优化不同预处理方法的工艺条件。研究结果表明，①盘磨-氢氧化钠(NaOH)预处理过程中，NaOH段的最佳预处理条件为:预处理温度90℃、固液比1∶5(g/mL，下同)、时间2 h、NaOH用量12%(g/g绝干)，此最佳条件下处理得到的物料，在pH值4.8、加酶量20 FPU/g、反应温度50℃的条件下酶解24 h，还原糖产率为37.50%;②盘磨-氢氧化钠/过氧化氢(NaOH/H2O2)预处理过程中，增加H2O2用量，还原糖产率下降，说明添加H2O2不利于纤维素酶水解纤维素;③盘磨-氨水预处理过程中，温度对还原糖产率的影响较明显;④氨水预处理液中加入强碱氢氧化钾，不仅加速了预处理的脱木质素过程，还提高了还原糖产率及酶解纤维转化率，是一种很有前景的预处理方法;⑤盘磨-氨水/磷酸钾(K3PO4)预处理过程中，还原糖产率比未加K3PO4时高，但是还原糖产率增加不显著。

2)选择6种不同预处理方法的较优预处理条件进行大样预处理，比较预处理过程中物料组分的变化情况以及酶水解后物料的还原糖产率等因素，筛选出一种较好的预处理方法。结果表明:硫化钠/氢氧化钠(Na2S/NaOH)预处理后，木质素的脱除率很高，可以达到96.96%。预处理后物料的纤维素酶水解实验中，硫化钠/氢氧化钠预处理所得物料的酶解还原糖产率可以达到86.67%，相对于原料的还原糖产率可以达到44.81%，葡萄糖产率以及纤维素转化率都较高，是一种较好的纤维原料预处理方法。

3)以硫化钠/氢氧化钠(Na2S/NaOH)预处理后物料为原料，研究了纤维素酶水解的主要影响因素，包括pH值、温度、底物浓度、酶用量、时间、打浆度和吐温80用量;并对吐温80影响纤维素酶水解的原因进行了探讨。通过单因素优化实验可知，在pH值5.2、温度50℃、底物质量浓度28.6 g/L、酶用量25 FPU/g、吐温80用量1 mg/g的条件下水解52 h，打浆度13°的物料还原糖产率可以达到47.33%。

4)对慈竹硫化钠/氢氧化钠(Na2S/NaOH)预处理后物料进行酶水解，得到以葡萄糖含量为主的纤维素酶水解液。然后采用Plackett-Burman实验、最陡爬坡实验和中心组合设计实验对丁醇发酵的培养基条件进行优化。实验优化得到生物素 1.31 mg/L、吐温 80 2.27 g/L、FeSO4·7H2O 5.13 mg/L 时，预测的丁醇产量为2.34 mg/L，验证试验得到丁醇产量为2.21 mg/L，与预测值2.34 mg/L较为接近，丁醇产量从优化前的1.78 mg/L提高到优化条件下的2.21 mg/L，产量提高了 19.46%。

慈竹;预处理;酶水解;丁醇