1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 微波处理对水稻秸秆酶解性能的影响研究 所在学院 专业班级 生物工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要： 【目的】利用微波预处理破坏秸秆中半纤维素、纤维素和木质素复合物，改善秸秆质地和结构，提高其生物降解效率 ，为秸秆生物质能开发创造条件。【方法】通过 Box-Behnken 设计和响应面法对水稻秸秆进行微波预处理优化试验，并通过秸秆结构表征比对来考察微波处理对水稻秸秆酶解性能的影响。【结果】实验结果表明，微波强度 （ MI） 、照射时间（ IT）和 秸秆材料 与水 的固液比 （ SC）这三个因素是水稻秸秆酶解糖化中最主要的
2、影响因素。在最优条件下，即微波功率 700w，微波处理时间 28min 和底物浓度 75g/L，此时秸秆的还原糖收率比未处理时增长了 47.33%。这与秸秆结构的 IR、电镜等表征结果相符。【结论】微波预处理会破坏秸秆表面的蜡质和硅化细胞，还可以部分分解木质素与半纤维素复合物，提高了水稻秸秆的生物降解性能，具有较好的应用前景。 关键词： 微波；前处理；秸秆；酶解糖化；响应面分析 II Enhanced enzymatic saccharification of rice straw by microwave pretreatmeat Abstract: ObjectiveMicrowave p
3、retreatmeat was used to disrupt the ligninhemicellulose complex and enhance enzymatic saccharification of rice straw. MethodsIn this study, BoxBehnken design and response surface methodology were employed to plan experiments and optimize the microwave pretreatment of rice straw. Results Experimental
4、 results showed that microwave intensity (MI), irradiation time (IT) and substrate concentration (SC) were main factors governing the enzymatic saccharification of rice straw. The maximal recover of reducing sugar was increased by 47.33% under the optimal conditions of MI 700w, IT 28 min and SC 75 g
5、/L. The physicochemical surface characteristics analysis of straw further confirmed the perspective. ConclusionMicrowave pretreatment could disrupt the silicified waxy surface, break down the ligninhemicellulose complex and partially remove silicon and lignin, largely enhance enzymatic saccharificat
6、ion of rice straw. Keywords:Microwave; Pretreatment; straw; Enzymatic saccharification; Response surface analysis目 录 摘要 Abstract . 1 绪论 . 1 1.1 相关研究的最新成果及动态 . 1 1.1.1 蒸汽爆破法 . 1 1.1.2 高能电子辐射、微波、超声波等技术 . 2 1.1.3 氨处理 . 2 1.1.4 碱化处理 . 3 1.1.5 臭氧处理 . 3 1.2 研究背景及意义 . 4 1.2.1 研究背景 . 4 1.2.2 研究意义 . 4 2 材料与方
7、法 . 6 2.1 实验材料 . 6 2.1.1 水稻秸秆 . 6 2.1.2 pH4.8醋酸缓冲液 . 6 2.1.3 纤维素酶 . 6 2.1.4 葡萄糖测定试剂盒 . 6 2.2 主要仪器和设备 . 6 2.3 实验流程 . 6 2.4 实验方法 . 7 2.4.1 秸秆材 料预处理 . 7 2.4.2 微波预处理 . 7 2.4.3 酶解 . 7 2.4.4 实验设计和数据分析 . 8 2.4.5 分析 方法 . 8 2.4.6 还原糖收率计算 . 8 2.4.7 秸秆结构表征 . 8 3 结果与讨论 . 10 3.1 初步结果 . 10 3.2 响应面分析结果 . 10 3.3 优化
8、和验证实验 . 13 3.4 秸秆结构表征实验 . 14 3.4.1 秸秆超微结构（ 扫描电镜分析） . 14 3.4.2 红外光谱检测 . 14 4 结论 . 16 参考文献 . 17 本科阶段研究成果 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪论 我国是一个农业大国，据粗略统计，每年约产农作物秸秆 7 亿吨，其中有 89%尚未被利用或未被合理利用 (如直接焚烧 )。目前全世界被开发利用的农林纤维副产物不足 2%，我国约有 50%以上的农林废弃物在田间地头被白白烧掉。每年因农林废弃物焚烧不仅造成直接经济损失达数亿元，而且由于焚烧而产生的滚滚浓烟及排放的大量有害气体
9、严重影响了公路、航空的安全，污染了 环境，对气候、生态等也造成了严重的影响。在另一方面，世界上还有十亿多人口由于粮食不足而遭受饥饿、营养不良。灾荒或战乱造成的粮食危机依然是正存在的和潜在的威胁。同时随着全球经济的飞速发展，地球上石油、煤炭的储量正以惊人的速度减少，能源危机成了世界大多数国家所面临的一个严峻问题。另外由于对资源的破坏性开采和利用，人类赖以生存的环境正在不断恶化，对可再生资源利用的研究与开发的可持续发展战略已在世界各国逐步展开，植物纤维素资源的开发利用对解决粮食和资源短缺以及环境污染问题有极其深远的意义 1。 储存在秸秆 里的可用糖能被最终转换为有价值的产品如乙醇、甲烷等，从而创造
10、更多的价值。利用木质纤维素，其中的一个关键问题是破坏木质素与半纤维素聚合物并释放糖。因此，开发可行的预处理方法，提高秸秆材料酶解消化率成为这一研究领域的重点 2。多年来，已发展形成了许多关于木质纤维素生物质预处理的方法，包括非催化蒸汽爆破，液体热水、稀酸、流过酸处理，石灰、湿氧化和氨纤维 /冻结爆破等 3。这些方法的基本思路都是消除或改变半纤维素和木质素，降低纤维素结晶度，增加其表面积。 1.1 相关研究的最新成果及动态 对秸秆进行预处 理是提高秸秆的利用率和产气率的一种有效的手段 , 成为目前秸秆沼气利用研究的重要内容。秸秆预处理研究体现在营养调节和质地改善两个方面。营养调节通常是调整碳氮比
11、。质地改善 , 主要有物理、化学和生物手段 , 它们都是通过一定措施改善秸秆质地和结构 。 1.1.1 蒸汽爆破法 由于爆破处理设备简单，可操作性强，因此在造纸业中广泛应用于木质纤维的前处理以生产纸浆。黄崇杏 4等利用低压爆破工艺处理蔗渣，发现爆破压力、时间等参数对蔗渣中的纤维素、半纤维素和木质素的影响有所不同，并且证实了爆破对木质素的破坏作用。蒸汽爆破技 术在处理木质纤维时，能实现纤维各化学组分的有效分离，利于降低杂质含量，提高纤维素含量。扫描电镜观察和图谱分析表明，木质纤维经过蒸汽爆破处理后，其形态结构发生较大的变化，纤维蓬松，比表面积增大，氢键减少，结构重排，有利于提高试剂的可及度，增强
12、化学反应性能，并且发现，2 热解处理也有相似的效果 5。 影响蒸汽爆破预处理的因素有处理时间、温度、原料种类、原料碎片大小和水分含量等。其中，预处理时间和温度是影响蒸汽爆破的主要因素。研究表明低温处理较长时间更有利于水解。张德强以速生毛白杨为原料的研究结果表明，随着爆破压力 的增加，爆破产物得率逐渐降低，而产酶活力增加，酶解糖化率也随之增加 6。 蒸汽爆裂法优点是能耗低，可间歇也可以连续操作，无环保或回收费用。但蒸汽爆破法对木素分离不完全，产生对发酵微生物起抑制作用的水解产物，洗涤爆破产物会导致整个多糖得率降低，投资成本较高等。 1.1.2 高能电子辐射、微波、超声波等技术 1） 高能辐射 ：
13、 有研究报道，电子辐射剂量在 0-106 rad 时只引起纤维素聚合度的下降，只有辐射剂量大于 106 rad 时才能提高纤维物料的水解速度及转化率 7。辐射处理可减少溶解用或反应用化学药品造成的 废水等污染环境，但成本较高，目前还很难用于大规模的生产。 2） 超声波 ： 美国佛罗里达大学 等研究单位 8分别用超声波处理混合办公废纸和硫酸盐浆，结果表明，超声波能够打开纤维素的结晶区，碎解木素大分子。唐爱民研究发现，超声波预处理能使木浆纤维的形态结构和超微结构发生明显变化，对提高纤维素的可及度和化学反应性能非常有利。李松晔、刘晓非等 9用超声波处理棉浆粕纤维素，结果发现超声波能有效破坏纤维素分子
14、中的氢键，降低其结晶程度和规整度。经超声波处理过的纤维可增加对纤维素酶和木糖酶的可及度，对酶水解有利；但对纤维素的 微细结构影响有限，并且降解了半纤维素，引起纤维比表面积的下降，这一点对酶水解是不利的。 3） 微波 ： Kitchaiya 等 10将稻草或蔗渣原料预浸在甘油中用微波常压处理 10 min，最终还原糖浓度增加 2 倍多。 东顺一 11在密闭容器中用微波照射红松、山毛榉、甘蔗渣、稻草等材料，结果表明糖化率随着温度的升高而升高，但是如果温度超过半纤维素和木质素热的软化点时会引起过分解反而使糖化率下降。 朱圣东 12研 究结果显示不同的微波功率，在最佳处理时间时还原糖的得率基本一致。微
15、波处理时间短，操作简单，但微波设备费用较高 ，难以进行大规模工业化生产。 1.1.3 氨处理 氨（ Ammonia），或称 氨气 ，分子式为 NH3，是一种无色气体，有强烈的刺激气味 13。极易溶于水，常温常压下 1 体积水可溶解 700 倍体积氨。氨对地球上的生物相当重要，它是所有食物和肥料的重要成分。氨也是所有药物直接或间接的组成。氨有很广泛的用途，同时它还具有腐蚀性等危险性质。由于氨有广泛的用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成的氨被3 用于制作化肥。由于氨可以提供孤对电子，所以它也是一种路易斯碱。 氨处理的条件比较温和且试剂易于回收循环利用 ，对纤维素及半纤维素破坏较小，不
16、会产生对后续发酵不利的副产物，氨水预处理对大豆秸秆化学成分及结构有一定的影响，使物料纤维素含量提高，结晶成分减小，纤维素与物料接触面积增加，有利于大豆秸秆酶解产糖。粉碎结合氨处理对秸秆酶解产糖影响较大，较适宜的预处理条件是大豆秸秆粉碎至 140目，室温下 10%氨水处理 24 小时 14。 1.1.4 碱化处理 用 NaOH、 Ca(OH)2或 KOH等溶液浸泡秸秆或喷洒于秸秆表面，以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键，溶解纤维素、半纤维素和一部分木质素及硅酸盐，使纤维素膨胀，从 而提高消化率。 Mahendra Singh等人研究表明：用 0、 3.3、 6.7、 10%的氢氧化钠（相对
17、干物质添加量）溶液喷洒到麦秸上，其有机物质消化率为 53%、 63%、 63%、 62%。 B.G.Ololade研究结果表明：室温条件下，玉米秸秆经 NaOH处理 24小时后，其有机物质消化率随氢氧化钠添加量的提高而提高，氢氧化钠相对干物质添加量为 8%时，玉米秸秆的干物质消化率为 21.5%。但是当 NaOH添加量超过 8%时，该变化趋势不明显。 Suresh Chandra与 Andrew等人的研究结果显示添加 10%氢氧化钠为时 ，纤维素的降解达到最大。纤维素消化率的提高，有利于微生物的生长，达到提高产气率的目的。 康佳丽 15比较了 4% 10%(以麦秸干重计 )NaOH 预处理过对
18、产气量的影响，结果显示经 6% NaOH预处理后的麦秸在 65g/L负荷率下的单位 TS产气量最高，为 380.9mL/g，与未处理麦秸相比，提高了 49.9%，厌氧消化时间缩短了 19天。庞云芝的研究显示氢氧化钠处理玉米秸发酵的产气量比未处理玉米秸提高了 77.0%，比常温消化的未处理玉米秸提高了 263.6%。高志坚的研究显示与未处理和经生物处理玉米秸相比，经 Na0H化学预处理后的玉米秸的产气量分别提高了 114%和 74%。杨懂艳的研究显示在玉米秸秆的负荷率为 65g/L时，氢氧化钠添加量为 6%，玉米秸秆单位质量生物气产量最高，比未处理的秸秆提高了 61.4%16。 1.1.5 臭氧
19、处理 臭氧处理使木素受到很大程度的降解，半纤维素只受到轻微攻击，纤维素几乎不受影响。金理华 17将小麦秸秆切成 1 mm、 5 mm、 10 mm、 20 mm 和 30 mm 长后用 O3 处理，各切断原料的木质素和半纤维素的含量都减少，切断长度越短，木质素和半纤维素的减少量越多。汪丹妤等 18研究了臭 氧对麦草浆的作用条件，结果表明，低 pH 值更有利于臭氧脱木素的选择性， pH2 左右时，纤维素损伤较小；在温度相对较低时，纤维素的降解较少。 臭氧处理可在常温常压下进行，可有效去除木质素，方法简单，能分解氨、碱处理不能分解的4 双子叶类的木质纤维素，不产生对进一步反应起抑制作用的物质。缺点
20、是需要臭氧量较大，生产成本昂贵。 1.2 研究背景及意义 1.2.1 研究背景 能源是当今社会赖以生存和发展的基础，浙江省 90 的能源依靠外部输入，而我省气候温和，生物质资源较为丰富，尤其以农林固体废弃物最为大宗，如秸 秆资源，根据浙江省统计局的资料表明， 2006 年全省秸秆总量超过 1000 万吨，相当于 500 万吨标准煤的能量。 实际上秸秆资源的合理利用率很低，如玉米秸秆， 42过腹还田或直接还田， 30 作为农用燃料， 8 作工业或其他用途， 20未被利用。 农村秸秆直燃造成 大量温室气体排放而能量未被合理利用，与中国政府当前提出的减碳目标（到 2020 年中国单位国内生产总值二氧
21、化碳排放比 2005 年下降 40%-45%）不符。因此，合理利用农林固体废弃物尤其是秸秆资源进行生物质能开发，一方面可以改变我省能源结构，提升能源自给能力，另一方面 是对废弃物的资源化利用，可以提高农业副产物的利用价值，增加农民收入，同时改善农村环境条件。 秸秆能源化利用途径中目前最为可行的就是进行生物发酵制备沼气，浙江省长期致力推广农村户用沼气池的使用，全省农村已建户用沼气池数量超过 20 万户，正常使用可代替标准煤 5 万吨，并且每年新建户用沼气池上千户。 但是，从目前的实际情况来看，全省已建的农村户用沼气池，大部分都处于非正常使用或停用状态。主要原因是大部分户用沼气池在使用过程中，会出
22、现启动时间过长、气量不足、生物质转化率过低、沼渣残留量大等问题，居民不能正常用气，且沼气池维护的工作量大，因此严重影响居民使用沼气的积极性。 1.2.2 研究意义 秸秆生物气化过程中出现以上情况的共同原因在于秸秆基质缺乏方便有效的前处理，其复杂而稳定的天然结构不能被快速破坏，产气微生物菌群难以转化秸秆中的纤维素和半纤维素，导致户用沼气池在实际使用过程中产气速度慢、周期长、效率低。本实验利用简单易行的物理微波辐射前处理方法，改变和破坏秸秆稳定的天然结构，尤其是破坏外层的木质素结构，使纤维素酶和半纤维素酶易于到达内层，提高秸秆的生物转化效率。 其实， 水稻作为 典型的硅 高 积累生物， 其硅 积累
23、 含量 高达 10 19。因此，硅是水稻秸秆预处理中的另一个限制因素。此外 ， 这些预处理方法需要高温 或高压反应和化学 制剂的应用，但一定剂量的化学制剂 可能 对 酶或微生物的发酵剂 有毒害作用，而 这些有毒物质 的 清除 通常 是昂贵和复杂 的 。 与 传统的加热方式不同 ， 微波辐射 不仅仅通过 热效应， 它起源于 升温速率， 即“ 热点 ” ， 加5 快离子与其它分子 及 快速旋转 的 偶极子 的相互 碰撞 , 比如水的偶极 作用产生 交流电场 (2450 万次 /秒 ) 20。 Azuma 和 Ooshima 等人研究表明 ， 微波辐射 对生物质的消化 起到了积极作用 ，通过 进一步
24、水解生物质 过程 中 高效运行的关键参数 来确定最优条件， 它已成为 一种 可 行 的 秸秆预处理方法 。然而，到目前为止，前人 的 研究只进行了一个变量 的实验 ，这 不仅 费时 而且 也可能导致错误的结论 ，而 为 了 优化无变量间的交互影响 需 考虑一个多变量系统。此外， 这种方法很难 评估微波辐射对 秸秆顽抗结构的影响， 因为 在微波预处理中很少 有关于 不 添加化学物质如酸 、 碱或 双氧水进行秸秆除 硅和 秸秆 理化表面 特征研究的报告 。 响应曲面法（ RSM）是一种设计性实验，它是通过建立模型来评价各因素之间的影响的统计方法的集合，利用最少的实验组数运行得到尽可能多的信息量。 为了系统地研究 没有其他化学 制剂情况下 水稻秸秆消化率的微波效应， 利用 Box-Behnken设计（ BBD） 实验 优化预处理条件 并探索 微波强度（ MI） 、 辐照时间（ IT） 和 底物浓度（ SC）对纤维素糖化（ CS） 的影响 。 最后要 对预处理秸秆的 结构 进行 表征 ， 并 评估微波辐射对 秸秆 顽 抗 结构的影响。
