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在双螺杆挤出机中酶法水解预处理后的玉米穗轴蒸汽爆炸残留物

JunZhenga,KimChooa,b,ChrisBradtc,RickLehouxc,LarsRehmanna,*

A化学工程与生物工程系，西安大略大学，里士满1151街，伦敦，在N6A3K7。

B加拿大莱姆顿学院，1457街，伦敦路，在N7S6K4。

摘要

将结合有过滤装置的改进的双螺杆挤出机用作液体/固体分离器，用于从蒸汽爆炸玉米芯中除去木糖。

面心为中心的复合设计用于研究各种酶水解过程变量（酶负载，表面活性剂添加和水解时间）与两种不同挤出的玉米芯（7％木糖去除，80％木糖去除）对葡萄糖转化的组合效应。

结果表明，挤出过程导致纤维素结晶度的增加，而结构变化也可以通过SEM观察到。

开发了用于预测葡萄糖转化的二次多项式模型，并且拟合的模型提供了通过方差分析（ANOVA）验证的真实响应的充分近似。

简介

木质纤维素生物质向乙醇的生物转化被认为是石油基液体燃料的最重要的替代品之一[14-15,17,29,35]。

木质纤维素生物质是高度丰富的，具有高能量潜力并且是用于乙醇生产的低成本材料。

典型来源是林产品，农业残余物，城市固体废物和专用能源作物[18,31]。

玉米芯，玉米籽粒生产的副产品，在欧洲的一些地区曾经用于动物饲料和肥料，用于农业生产，而在美国，玉米芯目前被用作纤维素乙醇生产的潜在原料，由于其低木质素和高碳水化合物含量。

此外，玉米芯具有产生约8000Btu/lb的高热值（HHV）。

平均玉米棒产量为谷粒产量的约14％，占玉米秸秆总产量的约16％[4,22,32]。

在可用于将木质纤维素生物质转化为合适的发酵底物的不同技术[25,33]中，纤维素的酶促转化似乎是获得高产率的可发酵糖的最有希望的方法[8]，因为它是高度特异性的，不产生大量的不需要的副产物[38]。

酶水解过程通常由纤维素酶催化，并且该过程受到许多因素的影响，包括半纤维素和木质素的纤维素纤维保护，纤维素结晶度，聚合度，半纤维素的乙酰化程度和生物质的可及表面积[28]。

半纤维素和木质素的存在使得纤维素酶难以进入纤维素，这将降低水解效率。

因此，纤维素生物质的结构必须在酶水解之前进行预处理，使得纤维素更易于酶促转化[11,29]。

各种物理，化学，物理化学和生物预处理方法已经被充分研究了从木质纤维素生物质的乙醇生产[16,35]。

预处理的目的主要是通过溶解半纤维素或和木质素，以及通过降低聚合度和纤维素纤维结晶度来增加酶对纤维素的可达性[12]。

此外，添加表面活性剂还提高了效率的纤维素水解[3,10]。

为了提高酶水解速率，研究人员集中研究多种酶水解过程参数，包括底物浓度和反应条件，如水解时间，pH，温度和添加表面活性剂[35]。

最佳参数高度依赖于消化的生物质的物理化学结构，并且不同的预处理方法将产生显着不同的生物质。

可以使用双螺杆挤出机中的预处理（除了其它方面）以水解和去除半纤维素级分[7,23-24]。

然而，还没有系统地表征通过挤出预处理的木糖去除以及对玉米芯的酶水解的其它工艺参数的影响。

在本研究中，分别使用具有7％木糖去除和80％木糖去除的两个不同挤出的玉米棒作为酶水解的来源。

通过SEM和XRD检查这两种材料的特性。

使用面心中心复合设计来研究各种酶水解过程变量（酶负载，表面活性剂添加和水解时间）与这两个挤出的玉米芯（7％木糖移除，80％木糖移除）的组合效应。

2．材料和方法

玉米芯的获得来自加拿大安大略省查塔姆的当地农民。

将玉米芯清洁并研磨至0.5-1cm3的粒径，并将水分调节至50％干物质。

然后将玉米棒进料到连续蒸汽爆炸预处理反应器（GreenFieldEthanol，Chatham）中。

反应器设定在205℃的温度。

在用饱和蒸汽加压的系统中具有pH4.8。

预处理期间玉米芯的总保留时间为5分钟。

在这些条件下半纤维素被水解成木糖或木寡糖。

反应器的压力迅速释放到大气压力，因此将加压的玉米棒闪蒸到旋风分离器中，这增加了酶的纤维的可及表面积。

收集具有80％水分含量的预处理的玉米棒并调节至60％通过空气干燥以在挤出过程中进一步除去木糖。

所有其它化学品（例如乙酸，无水硫酸钠，四环素，环己酰亚胺，葡萄糖和木糖）是分析级的，并购自Sigma-Aldrich（USA）。

CellicCTec2纤维素酶获自Novozyme（Canada）。

2.2挤出过程中木糖的去除

使用Leistritz同向旋转双螺杆挤出机（AmericanLeistritzExtruderCorp，USA）进行实验。

挤出机由12个每个200mm长的模块化的桶组成。

使用热感应对桶进行电加热，并通过水循环冷却。

从控制面板监测桶温度，水流速，进料流速和压力。

通过重量分析进料器（BrabenderTechnology，Canada）将材料以4kg/h供给到挤出机入口（图1中的料筒0）中。

表1不同处理条件下玉米棒样品的碳水化合物组成（一式三份的平均值±

标准误差）

地面玉米（%）

蒸汽爆炸玉米（%）

挤压玉米和80%木糖

挤压玉米和7%木糖

葡萄糖

41.3±

0.75

55.4±

1.61

65.5±

1.50

58.1±

1.52

木糖

29.0±

1.25

22.8±

1.29

7.4±

0.10

19.4±

1.00

阿拉伯糖

4.2±

0.18

2.4±

0.07

1.5±

2.3±

0.06

半乳糖

0.1

0.6±

0.05

0.2±

0.03

甘露糖

0.4±

0.3±

0.02

通过容积泵（MiltonRoyUSA）将水注入到桶8中。

将固/液分离器置于桶9中以收集主要含有溶解的木糖的滤液。

两个压力传感器分别定位在桶8和10中，以检测过滤器两侧的压力。

使用两种螺杆构型（图1A和B）分别产生具有7％和80％木糖清除的挤出玉米芯。

通过将输送，捏合和反向螺杆元件放置在不同的位置和间隔来构建这两个螺杆构型轮廓。

输送螺杆元件用于材料输送，并且它们的较小节距可压缩产品并在每个桶内实现高度填充。

以不同角度取向的捏合螺杆元件用于分解大的固体并混合生物质和水以实现均匀分布。

此外，在相反方向上承载材料的反向螺杆元件紧接在过滤器之前和之后放置。

图1用于实现7％（a）和80％（b）木糖去除的螺杆构型

召集元件：

C1：

GFA-2-30-30，C2：

GFA-2-30-90，C3：

GFA-2-40-60，C4：

GFA-2-40-90，揉捏元素：

K1：

KB2-15-30，K2：

KB2-15-60，K3：

KB2-15-90，K4：

KB2-15-30，LiGFA-2-XX-XX，G=同向旋转，F=输送，A=自由旋转，2=螺纹数，第一个XX=螺距，第二个XX=螺杆元件的长度。

KB5-2-30-XX-Li：

KB=捏合段，5=捏合段数，2=螺纹数，30=捏合段长度，XX=各捏合段的扭转角，RE=Li=反向元件，X2=两个相同的元件

图2未处理和挤出的玉米棒的各种放大倍数的SEM图像

（A，B）未除去木糖的未处理的玉米棒，（C，D）具有7％木糖除去的挤出的玉米棒，

（E，F）挤出的除去80％木糖的玉米棒

葡萄糖的浓度通过Agilent1260Infinity高效液相色谱（HPLC）使用MetaCarbHPlusColumn300。

7.8mm（AgilentTechnologies，USA），装备有折射率检测器。

在分析前，将水解的液体样品进行50℃稀释并通过0.2mm醋酸纤维素膜（VWRInternational，USA）过滤。

柱温度保持在60℃。

流速为0.7ml/min（5mMH2SO4）。

通过比较水解产物中产生的葡萄糖的量与预处理的生物质中存在的葡萄糖单体的总量来计算葡萄糖转化。

2.4酶水解

从Novozyme（Canada）获得的玉米棒的酶水解在具有CellicCTec2酶的100ml带螺纹盖的玻璃小瓶中进行。

酶活性测量为168.2FPU/ml。

应用的酶负荷从1.8至7.2FPU/gDM的挤出玉米芯（具有80％木糖去除）和1.1至4.4FPU/gDM的挤出玉米芯（具有7％木糖去除）变化。

基于每个挤出的玉米芯中的总纤维素量确定酶负载量。

水解混合物由12％（w/v）干物质/缓冲液和0.1M柠檬酸钠缓冲液（pH5.0）组成，其补充有40ml四环素和30ml环己酰亚胺以防止消化过程中的微生物污染。

Tween80（SigmaAldrich，USA）用于这些水解实验中以增强未处理和预处理的玉米芯的相鉴定。

将样品研磨以通过150μmm目筛，并且结晶度由Rigaku（USA）使用CoK是辐射源。

样品以5a的速度扫描。

（2u）/min，在5〜45℃下连续运行。

（2u）范围。

纤维素样品的结晶指数（CrI）通过基于以下关系[6]的X射线衍射图确定：

其中Imax表示纤维素I在2u约26°

处的最大强度峰值。

Imin表示在2u约19°

处非晶区（纤维素II）的最小强度峰值。

基于从CuK辐射源的布拉格定律转换。

2.7实验设计

选择具有四个因子的面心中心复合设计（FCCD），以评价所选变量对反应模式的影响，并确定酶负载（2％-8％），吐温80浓度（0％6％）和水解时间（24h-72h），使用具有不同木糖清除率（7％和80％）的挤出玉米芯来使预处理玉米芯的葡萄糖转化最大化。

基于初步研究选择每个因子水平。

来自完全因子设计的初步结果显示出显着的曲率（数据未示出），因此选择中心复合设计，特别是“面心”设计，因为只有两种类型的挤出生物质可用（7％和80％木糖去除）。

选择水解产物中产生的葡萄糖总量与蒸​​汽爆炸玉米芯中总葡萄糖理论量（在酸水解后分析）之比作为分析响应。

使用软件DesignExpert，版本8.0.7.1（StatEase，Inc.USA）开发实验设计。

得到的22个实验条件以及每种类型的生物质的三个中心点重复测试一式三份，数据表示为一式三份的平均值，标准偏差。

所有实验完全随机化进行，并且数据通过线性回归拟合到二阶模型：

其中y是预测响应，xi表示独立变量，k是变量的数量，β0是截取系数，βi表示每个独立变量的线性系数，βii表示二次项的系数，βij表示相互作用效应的系数和ε是随机误差。

进行方差分析（ANOVA），并且使用F检验基于a=0.05的显着性确定每个变量的显着性，相互作用和二次效应。

通过R2，调整的R2，适当的准确度和缺乏用于确定适当性的拟合系数来评价拟合的模型。

此外，拟合模型通过使用确定的显着变量的条件进行实验来验证[1]。

3．结果与讨论

表2基于中心复合材料设计，在不同条件下从挤出的生物质中释放葡萄糖

试验

因素

响应

Emzyme加载（%wjw）

渐变80浓度（%wjw）

不同的木糖删除（%）

水解时间（hr）

葡萄糖转换（%）

1

8

80

24

56.67±

1.34

2

5

3

7

48

49.87±

1.75

61.06±

0.73

4

6

32.31±

2.1