《木質纖維素高固酶解過程擴散-吸附-反應的分析與調控》是依託天津大學，由蘇榮欣擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：木質纖維素高固酶解過程擴散-吸附-反應的分析與調控
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：蘇榮欣
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
木質纖維素高固酶解工藝具有耗水少、能耗低、產能大、糖濃度高等優點，但存在水解效率隨固含量增加而線性下降的共性技術問題。本項目旨在揭示高固酶解效率下降的關鍵因素和調控途徑，以酶解體系的擴散、吸附與反應為主線，開展酶解過程的多尺度表征、機理分析與過程調控。①多尺度表征：組合色譜、波譜和電鏡分析與CFD模擬，定量描述巨觀底物顆粒、介觀纖維素酶、微觀產物糖的分布（擴散）、轉移（吸/脫附）與變化（反應）；②機理分析：通過研究纖維素酶分布、活力變化、產物抑制與吸附行為，探討酶解反應受擴散、吸附/脫附的影響規律，構建擴散-吸附-反應動力學模型，明確水解效率下降的存在環節和關鍵因素；③過程調控：基於動力學模型和機理分析，確定提高水解效率的調控途徑，最佳化反應器設計、酶與底物預混、補料設計、酶製劑復配等工藝。研究成果將為高固酶解體系工藝最佳化提供理論依據，促進纖維素乙醇和生物基化學品的基礎研究並推進其開發套用。
結題摘要
纖維素乙醇煉製過程中較高的乙醇濃度是蒸餾工段能否經濟性運行的關鍵參數。要實現纖維素乙醇的商業化，體系含水量必須嚴格控制，即必須開展高固含量的纖維素酶解糖化，才能獲得較高的糖醇濃度。此外，高固酶解工藝還具有耗水少、能耗低、產能大等優點。本項目針對高固含量酶解體系酶解效率低、酶耗量大兩大瓶頸問題，開展了一系列工作：1、多尺度表征：基於SEC-MALLS、QCM、SPR、太赫茲、色譜、波譜等技術，建立了一套對巨觀底物顆粒、介觀纖維素酶、微觀產物糖的分布和變化定量表征等方法；2、新型預處理技術：建立水熱處理、鹼性過氧化氫、亞鐵與乙醇協同處理、芬頓（或與鹼法協同處理）等預處理方式，獲得各種組分含量和結構的底物；3、擴散分析與調控：揭示了纖維素酶解反應過程受擴散的調控規律，建立了步降式攪拌策略，既保證了酶解效率，又降低了能量消耗；4、吸附規律與調控：考察了纖維素酶在不同pH條件下的吸附行為和酶穩定性，發現酸性有利於吸附，而鹼性則有利於脫附，設計了一種基於pH調控的纖維素酶回收策略，大幅提高了纖維素酶的回收效率；構建了可分泌β-葡萄糖苷酶的重組酵母菌株，採用該菌株發酵產酶與底物重吸附法回收外切／內切纖維素酶，顯著降低了β-葡萄糖苷酶的補加量；進一步耦合表面活性劑，通過重吸附法和再用發酵殘渣回收固液兩相中的纖維素酶，避免了纖維素酶循環使用過程中β-葡萄糖苷酶的補加。5、酶解反應機理：採用SEC-MALLS跟蹤分析了木質纖維素在酶解過程中三大組份的分子量分布變化規律，發現纖維素和半纖維素在底物的各個層面上相互纏結。外切纖維素酶遵循層層剪下方式，是酶解的關鍵限速步驟。項目研究成果為高固含量纖維素酶的高效水解和有效回收提供實驗方法和理論依據。通過本項目研究，在Biotechnol Bioeng、J Agri Food Chem、Bioresource Technol、Appl Microbiol Biot等重要期刊發表學術論文14篇，其中SCI文章10篇，申請中國發明專利2項，獲得天津市自然科學二等獎。
