高温液态水中甜高粱渣半纤维素水解及其机理

引言 木质纤维素类生物质的生化转化过程包括预处理过程、水解液发酵过程和产物分离过程,而预处理过程是减少整个生化转化成本和提高生化转化效率的关键[1-3]。与其他预处理方法相比,高温液态水处理（liquid hot water）（温度在170～250℃,压力高于饱和蒸气压）是一种绿色处理方法,

复合微生物菌剂袋装发酵甜高粱渣对奶牛产奶量及奶成分的影响

从奶牛群中挑选体质量、胎次、泌乳期、产奶量及采食量均相近的奶牛16头,试验组8头,对照组8头,进行发酵甜高粱渣生物饲料对奶牛产奶量和牛奶质量影响的评价研究.结果表明:复合菌剂发酵组饲料粗蛋白含量比空白对照组提高了71%,粗纤维含量比对照组降低了8%;复合微生物菌剂袋装发酵甜高粱渣生物饲料试验组提高了奶牛采食量和产奶量,试验组奶牛与青贮玉米秸秆组奶牛相比,采食量提高了11.4%,产奶量提高了14.2%,试验组的奶料比和对照组相比减低了20.8%.此外,试验组与对照组相比牛奶中的乳蛋白含量提高了14.03%;牛奶中的乳脂率含量提高了16.3%,试验组牛奶体细胞数与对照组相比下降了5.15%.

菌/酶添加对甜高粱渣青贮预处理作用的强化效果

为实现生物质甜高粱渣的青贮强化预处理和能源化利用,该研究探究了不同添加剂对其青贮质量和酶解糖化效果的影响。试验设置对照组(CK组)、植物乳杆菌组(L组)、纤维复合酶组(E组)和复合添加剂组(LE组),系统考察甜高粱渣在21 d青贮预处理期间的营养成分、木质纤维组分和发酵品质的动态变化,采用隶属函数法评价青贮质量,利用高通量测序技术分析青贮预处理过程的微生物菌群动态演绎。结合酶解糖化性能评价青贮预处理作用的强化效果,从而筛选适宜的添加剂。结果表明:青贮预处理后甜高粱渣的粗蛋白、淀粉、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、半纤维素和纤维素等能量组分含量显著高于原料(P<0.05)。青贮21 d时,3个添加剂组的干物质、可溶性碳水化合物和粗蛋白含量显著高于CK组(P<0.05),综纤维素含量显著低于CK组(P<0.05),且E组的干物质含量最高,L组的粗蛋白含量最高,E组和LE组的可溶性碳水化合物含量最高。青贮预处理期间,3个添加剂组的pH值均低于4.2,L组的乳酸和乙酸含量明显高于CK组(P<0.05),E组的乳酸/乙酸和乳酸/总有机酸比值显著高于CK组(P<0.05)。隶属函数法综合评价E组的青贮发酵质量最高。微生物菌群结果显示,甜高粱渣经青贮预处理后,3个添加剂组的细菌菌群丰富度和多样性都明显下降,门水平细菌主要以变形菌为主,属水平细菌主要包含肠杆菌、泛菌、明串珠菌、魏斯氏菌、拉恩氏菌和葡糖杆菌等,这些微生物与青贮质量密切相关。甜高粱渣经青贮预处理后的还原糖得率显著提升,尤其E组得率比原料提高了117%。结合成本效益法分析,利用纤维复合酶对甜高粱渣进行青贮强化处理的E组纯收益最高,较甜高粱渣原料提高了近3倍。总之,单独添加纤维复合酶不仅能明显改善甜高粱渣的青贮发酵质量,实现稳定保存,还能使其青贮预处理作用得到强化,进而提高甜高粱渣的生物降解性能,是一种经济合理、技术可行的青贮预处理强化方法。

甜高粱渣分批补料酶水解生产高浓度糖

为了提高水解液中糖浓度,降低后续乙醇蒸馏成本,以低温碱处理的甜高粱渣为底物,研究分批补料糖化工艺对高浓度底物酶解的影响,采用扫描电镜(SEM)和红外光谱仪(FT-IR)对底物结构变化进行分析。结果表明:碱预处理可去除大部分的木质素,使纤维素暴露到表面,增加纤维素酶水解的可及性。甜高粱渣酶解的初始底物浓度为9%(w/v),在酶解8、24、48 h后分别补料8%、7%和6%构成四组酶解体系,分批补料水解最高固含量30%,酶用量为9.96 FPU/g底物的体系,酶解120 h后,葡萄糖和木糖浓度分别达到102.52 g/L和29.48 g/L,葡聚糖和木聚糖转化率分别为52.16%和40.45%。

有机酸对甜高粱渣亚临界水解产物的影响

半纤维素的高效转化是提高甜高粱渣原料全组分利用的关键技术之一。采用亚临界水热预处理方法,并将强度因子R0引入研究过程,考察了不同温度(160~200℃)和反应时间(10~60 min)对甜高粱渣水解反应的影响。在这基础上,进一步考察了多种有机酸(乳酸、醋酸及乳酸+醋酸)对亚临界水解效果的影响。实验表明,当强度因子lg R0=3.96(180℃,40 min)时,采用不外加酸的亚临界水热预处理工艺得到的最大木糖浓度为4.79 g·L^(-1);有机酸的加入可强化水解反应,提高木糖浓度;与单一乳酸或醋酸处理方法相比,加入同浓度的乳酸+醋酸既可以促进半纤维素水解,又可以抑制副产物生成;在温度180℃,时间40 min,乳酸+醋酸(乳酸:醋酸=6:4)的浓度1%(质量)的条件下,木糖浓度为7.92 g·L^(-1)。

甜高粱渣水解液纳滤浓缩脱毒试验研究

为实现木质纤维素类生物质水解液中糖分的浓缩和纯化,采用截留分子量为200的聚酰胺纳滤膜,对甜高粱渣高温液态水水解液进行浓缩和脱毒处理。研究表明:升高料液温度和增大系统压力均可提高乙酸和糠醛等糖降解物的脱除效率,而料液pH值的增大对带负电荷化合物的脱除不利,优化的纳滤条件为:30℃,0.3 MPa,pH=3。在该条件下水解液浓缩30 min后总木糖浓度从5.23 g/L增加到10.00 g/L,而糠醛、葡萄糖醛酸、乙酸和乙醇酸等副产物浓度不增加。

发酵处理对脱汁甜高粱渣化学成分和体外消化特性的影响

将榨汁后的甜高粱渣发酵处理,形成3种处理样品:厌氧发酵脱汁甜高粱渣、厌氧发酵甜高粱酒精糟和直接干燥甜高粱酒精糟。对处理的甜高粱渣进行化学成分(DM、CP、总糖、NDF、ADF、灰分、Ca、P)分析,并采用活体外两阶段法测定DM和NDF消化率;通过活体外产气量试验和动态发酵模型,计算样本的动态发酵参数。结果表明,不同处理间甜高粱渣DM、NDF、总糖、灰分含量差异极显著(P<0.0001),ADF差异不显著(P>0.05)。动态发酵参数(B、Lag、GAS)及活体外干物质消化率(IVDMD)差异显著(P<0.05),活体外细胞壁消化率(IVNDFD)差异不显著(P>0.05);氨态氮(NH3-N)、总挥发酸(TVFA)含量和各种挥发酸摩尔比例(除乙酸和丁酸以外)差异均不显著(P>0.05)。

甜高粱渣/高密度聚乙烯复合材料的热稳定性与力学性能研究

甜高粱发酵生产燃料乙醇时产生的甜高粱渣中含有丰富的纤维素及半纤维素,可用来进一步构筑功能复合材料。为了研究甜高粱渣对复合材料热稳定性及力学性能的影响规律,文章选取高密度聚乙烯与甜高粱渣为主要原料,采用注塑成型法制备复合材料,并借助傅里叶变换红外光谱及化学成分分析仪研究甜高粱渣的表面官能团及组分含量,采用扫描电子显微镜分析复合材料的微观形貌,通过热重分析评价复合材料的热稳定性,利用万能力学试验机和动态热机械分析仪分析复合材料的力学性能。研究结果表明;作为生物大分子,甜高粱渣会降低复合材料的热稳定性及冲击强度,但对复合材料的抗蠕变能力、抗应力松弛能力及弯曲强度均有不同程度的增强作用;当甜高粱渣的含量为40%时,复合材料的界面结合情况良好,弯曲强度可达40 MPa,较高密度聚乙烯纯料提高了46%,展现出较高的力学性能。

无外加催化剂条件下甜高粱渣汽爆预处理研究

甜高粱茎秆压榨提汁后产生的残渣是生产纤维素乙醇的优良原料。预处理是纤维素乙醇生产过程的关键环节之一。文章对甜高粱压榨剩余残渣进行了无外加催化剂的汽爆预处理研究,通过比较不同反应条件下的预处理效果、发酵抑制物糠醛的生成,及残渣水解效果,确定了最佳预处理工艺:压力为2.4 MPa,时间为120 s,在此条件下,预处理后残渣中纤维素含量达到44.71%,纤维素水解率为82.72%,而在预处理过程中糠醛产生量为1.62 mg/g,对后期酵母发酵影响小。

管囊酵母的诱变育种及甜高粱渣水解液发酵

对管囊酵母1771进行硫酸二乙酯(DES)与紫外线(UV)复合诱变,筛选得到一株菌DU-13,其糖醇转化率较出发菌株提高28.7%。用DU-13菌株在甜高粱渣酸水解液和发酵培养基中进行发酵,乙醇产量分别为3.5g/L和7.4g/L;转化率分别为0.173g/g和0.250g/g,水解液发酵效果不如发酵培养基。在甜高粱渣酸水解液中添加营养物质,并设计正交实验优化添加方案。将优化水解液在相同条件下利用DU-13菌株进行发酵,结果表明优化水解液发酵效果优于发酵培养基和水解液:乙醇产量为13.5g/L,转化率为0.378g/g。

硅烷偶联剂对高密度聚乙烯/甜高粱渣复合材料性能的增强机制

采用硅烷偶联剂KH550改性处理甜高粱渣(SSS),制备高密度聚乙烯/改性甜高粱渣(HDPE/SSS)复合材料。研究KH550质量分数对SSS表面官能团及微观形貌的影响,并对HDPE/SSS复合材料的微观形貌、静态力学性能、蠕变行为、应力松弛行为及表面亲/疏水性进行系统的探究。结果表明:随着KH550质量分数的增加,复合材料的静态力学强度(拉伸、弯曲和冲击)均呈现先上升后下降的趋势;KH550有效提高复合材料的热稳定性、抗蠕变性能和抗应力松弛性能;复合材料的表面疏水性随KH550用量的增加而增强。当KH550质量分数为3%时,复合材料的界面结合情况较好,其静态力学强度、抗蠕变性能和抗应力松弛最佳。

碱处理对高密度聚乙烯/甜高粱渣复合材料性能的影响

为充分利用燃料乙醇工业生产遗留的甜高粱渣(SSS)废弃物,采用碱液对SSS进行改性处理,借助注塑成型工艺制备SSS增强高密度聚乙烯(HDPE/SSS)复合材料,并系统分析了碱液浓度对SSS理化特性及HDPE/SSS复合材料性能的影响机制。结果表明:随着碱处理浓度的增大,复合材料拉伸强度没有明显变化,但弯曲强度和冲击强度均呈现先上升后下降的趋势;碱处理浓度为4%时,复合材料的抗应力松弛性能具有一定的提升,过高的碱处理浓度则对应力松弛抗性产生不利影响;随着碱处理浓度的增大,复合材料的热稳定性逐步提升,但表面疏水性逐步降低。

甜高粱茎汁及茎渣同步糖化发酵工艺优化

为了提高甜高粱秸秆乙醇生产中茎汁和茎渣的利用,以甜高粱茎汁及其渣为发酵原料,对茎汁茎渣混合原料同步糖化乙醇发酵的工艺条件进行优化研究。采用Plackett-Burman(PB)筛选设计试验筛选出影响甜高粱茎秆渣汁同步糖化乙醇发酵的显著因素。采用响应面法建立了同步糖化发酵乙醇生产的乙醇产量数学模型。根据该模型进行了工艺参数的优化,以乙醇产量为指标,试验所得甜高粱茎秆渣汁同步糖化化乙醇发酵的优化工艺条件为:发酵温度36.58℃,混合纤维素酶添加量=23.5(FBU/m L)/35.25(CBU/m L),甜高粱渣汁质量体积比为8.2%,理论预测乙醇产量为89.2%,在此条件下进行验证试验,乙醇产量为88.98%,平均质量浓度,验证了数学模型的有效性,为提高甜高粱茎汁及茎渣混合原料同步糖化发酵产乙醇和提高发酵效率提供参考。

混合酶对经不同预处理的甜高粱秆渣的水解

采用正交试验设计,探索不同的液固比、pH值、温度和混合酶配比对甜高粱秆渣的水解情况,并在此基础上研究了混合酶对经漆酶和高压蒸汽预处理的甜高粱秆渣的水解情况。结果表明,混合酶水解的最佳条件为液固比11:1、pH值3.6、30℃、果胶酶:纤维素酶:半纤维素酶=1:1:2,该条件下的水解效率要好于纤维素酶单独的水解效率,经漆酶和高压蒸汽预处理的甜高粱秆渣的酶解效率得到显著提高,浸润于不同溶液中的甜高粱秆渣经高压蒸汽预处理并酶解,其葡萄糖收率有所不同,且在溶液中加入KMnO4后再进行高压蒸汽处理,能进一步提高葡萄糖收率。

离子及表面活性剂对甜高粱秆渣酶解的影响

为了提高纤维素酶水解经高温液态水处理后的甜高粱秆渣的效率,探讨了多种阴离子、阳离子以及吐温80(Tween 80)对纤维素酶活力的影响,并初步探讨了Tween 80影响甜高粱秆渣酶解的机制。酶激活试验表明,Br-、I-、NO-3、Ca2+、Mg2+和Co2+对纤维素酶有激活作用,但对甜高粱秆渣的水解效率提高不明显。添加Tween 80发现,随着浓度的增加,它对纤维素酶的抑制作用增强,而Tween 80添加量为0.175ml·(g甜高粱秆渣)-1时,甜高粱秆渣的酶解效率由16.6%提高到37.9%。吸附试验表明,甜高粱秆渣对纤维素酶和Tween 80的吸附达到一定限度后不再上升,Tween 80能显著降低甜高粱秆渣对纤维素酶的吸附。红外光谱分析发现,木质素对Tween 80的吸附要强于它对纤维素酶的吸附。

碱处理对甜高粱秸秆渣组成结构及酶解糖化效果的影响

以甜高粱品种M81为试验材料,以清洗烘干后未经处理的甜高粱渣为对照,在常温、高温高压、微波条件下Ca(OH)2和常温条件下NaOH处理甜高粱秸秆渣,调查处理后甜高粱秸秆渣木质纤维素组成结构及纤维素酶酶解糖化情况。结果表明,采用的4种处理都能有效地改变甜高粱渣木质纤维素组成结构,其中氢氧化钠常温长时间处理对于木质素与半纤维素的溶降效果最好,3种石灰处理对半纤维素的溶解也均有一定作用。扫描电镜观察石灰高温高压与氢氧化钠常温两种处理对于木质纤维素结构的改变不同,前者木质纤维素表层木质素结构被侵蚀严重,呈破碎状附着在纤维素表面,内部纤维结构仍紧密排列,后者木质纤维素束状结构溶胀降解,表层木质素成分被大量去除,被包裹的纤维素组分显露,纤维素网断裂且纤维素表面出现许多小孔。经这4种方式处理后的甜高粱渣,木质纤维素中纤维素与半纤维素经纤维素酶酶解糖化,葡萄糖和木糖产物浓度都有所提高,分别达到对照的1.5、2.1、1.9、4.2倍和3.1、5.0、4.9、2.4倍;木质纤维素纤维组分的直接转化率与相对转化率的含义与计算方法不同,两种计算方式对于甜高粱木质纤维素生物质原料预处理方式的选择和效果的综合评价具有指导意义。

甜高粱固态发酵渣综合利用的研究

甜高粱发酵酒精的过程中会产生大量的发酵残渣,为了使其得到充分的利用,进行了甜高粱固态发酵渣分级利用方面的研究,确定了甜高粱固态发酵渣作为造纸原料和牲畜饲料的可行性。

甜高粱秆发酵渣中可溶性糖和乙醇的快速浸提

目的建立一种甜高粱秆发酵渣中可溶性糖和乙醇的快速浸提方法。方法考察高速匀浆时间和后续是否超声振荡对甜高粱渣中可溶性糖和乙醇浸提效率的影响;采用扫描电镜观察甜高粱渣的形态,从细胞层面解释颗粒尺寸对浸提速度的影响;对浸提方法进行加标回收验证。结果浸提方法以高速匀浆3min为宜,在这个条件下,蔗糖和乙醇在低、中、高3个水平的加标回收率在90.17%~92.80%之间。结论该浸提方法可靠,操作简单,浸提时间短,可用于甜高粱秆发酵渣中可溶性糖和乙醇的快速浸提。

发酵温度对复合微生物菌剂青贮饲料品质的影响

试验旨在研究甜高粱饲料青贮过程中窖池温度变化对复合微生物菌剂青贮饲料品质的影响。在甜高粱渣中接种3种复合微生物菌剂,研究窖池的高、中、低层温度变化及温度对青贮饲料品质的影响。结果表明:窖池昼夜温差为5℃,有显著差异(P<0.05);稳定发酵时窖池高、中、低层平均温度分别为37.85℃、36.60℃、35.44℃,有显著差异(P<0.05);在窖池中层,青贮饲料粗蛋白质含量为5.09%,明显高于窖池高、低层饲料粗蛋白质含量(3.71%、3.76%)(P<0.05);窖池中层青贮饲料乳酸含量比窖池高、低层乳酸含量分别提高了12.92%、10.18%(P<0.05),中层青贮饲料丙酸含量比窖池高、低层分别提高了38.07%、29.68%(P<0.05);窖池温度变化对青贮饲料p H值、乙酸含量的影响没有显著性差异(P>0.05)。窖池中层温度有利于青贮复合微生物菌剂提高甜高粱青贮饲料品质。

国内甜高粱秸秆渣的加工利用现状分析

利用甜高粱秸秆含糖量高的优势发酵生产燃料乙醇,成本低、效益高,是甜高粱的主要利用形式和发展方向,其副产品还可以作为新能源开发、肥料生产、畜牧业发展、建筑板材生产的重要原材料。为此,本文就国内甜高粱秸秆含汁和去汁加工生产利用现状进行分析,为构建甜高粱产业可持续发展利用体系,实现新型能源产业、草食畜牧业和全产业链的可持续发展提供一定的研究基础。