纖維素的水解分享人：TEL：V信：1921年Mener-Willians用濃H2SO4水解純的棉花纖維，分離出得率為：90.7%的結(jié)晶D-葡萄糖。另外也有人將纖維素先溶于40%HCl或72%H2SO4中，放置12~24hr，然后沖稀至含酸低于1%的水解液，再煮沸數(shù)小時(shí)，纖維素幾乎完全成葡萄糖，其得率達(dá)理論值的96%~98%?；仡櫪w維素的水解

纖維素的酸水解纖維素的堿降解纖維素的酶分解

纖維素水解的幾種方式1.1定義：指纖維素其相鄰兩葡萄糖單體間的碳原子和氧原子形成的苷鍵被酸所裂斷，纖維素聚合度下降，還原能力提高。酸液→無(wú)定形區(qū)→進(jìn)入結(jié)晶區(qū)表面

快慢纖維素→低聚糖→葡萄糖1纖維素的酸水解1.2無(wú)機(jī)酸催化纖維素分解的機(jī)理:酸在水中解離產(chǎn)生氫離子；氫離子與水結(jié)合為不穩(wěn)定的水和氫離子；纖維素鏈上的β-1,4葡萄糖苷鍵與水和氫離子結(jié)合，后者把一個(gè)氫離子交給β-1,4葡萄糖苷鍵上的氧，使之變?yōu)椴环€(wěn)定的四價(jià)；氧鍵斷裂時(shí)，四價(jià)的氧與水反應(yīng)生產(chǎn)2羥基，重新釋放出氫離子。1纖維素的酸水解1纖維素的酸水解1.3木質(zhì)纖維素水解的產(chǎn)物濃酸水解稀酸水解序列階段酸水解1.4酸水解主要分為：1纖維素的酸水解濃酸水解纖維素的過(guò)程如下：纖維素膨脹和溶解部分水解生成低分子多糖和少量單糖濃酸加水稀釋加熱進(jìn)一步水解生成單糖單糖進(jìn)一步分解缺點(diǎn)：酸必須回收，而且回用要經(jīng)濟(jì)上能過(guò)關(guān)，回收過(guò)程通常是高成本的，要求防腐蝕的容器，體積也要較大。濃酸水分較少，纖維素分解生成的是寡糖，其中主要是纖四糖100~200℃1~3h1纖維素的酸水解稀酸高壓水解方法：硫酸濃度：0.3%~0.5%；水解溫度：151~174℃或179~194℃（根據(jù)原料情況）；壓力：400~800kPa和900~1300kPa（根據(jù)原料情況）。稀酸常壓水解法:

一般采用硫酸；硫酸濃度：3%以下；水解溫度：100~103℃。1.4.2.1稀酸水解工藝1纖維素的酸水解固定水解法是最原始的方法。水解液是在整個(gè)水解過(guò)程完成后一次性排出。生成糖的分解現(xiàn)象嚴(yán)重、得率低、質(zhì)量差、純度低，但對(duì)設(shè)備和操作的要求低。分段水解法生成糖的分解少。滲濾水解法是將稀酸溶液從水解器上部不斷淋入，水解液從下部連續(xù)排除。稀酸常壓水解主要用于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理和玉米蕊等半纖維素含量高的原料的酸水解，可使大部分半纖維素分解。1纖維素的酸水解氫離子濃度越低，水解速度越快。2.在一定的酸濃度范圍內(nèi)，纖維素水解反應(yīng)的速度與酸的濃度成正比。3.溫度增加酸水解反應(yīng)的速度也加快；一般溫度增加10℃，水解速度提高1.2倍。其中值得注意的是：4.由于氫離子是由酸解離來(lái)，而強(qiáng)酸解離完全，故水解時(shí)都用強(qiáng)酸。溫度愈高，纖維素酸水解的速度愈快，但已生成的單糖的分解速度也愈快。采用分段水解法或滲慮水解法，以縮短生成單糖在水解器中停留時(shí)間，達(dá)到減少單糖分解造成損失的目的。1.4.3序列階段酸水解

美國(guó)普度大學(xué)ladish提出采用濃酸和稀酸水解的纖維素序列三階段酸水解法。1、預(yù)水解，它是水解和萃取木質(zhì)纖維素中的半纖維素階段；2、主水解階段，將纖維素水解成寡糖和葡萄糖單體的階段；3、后水解階段，它是保證寡糖水解的階段，而寡糖中主要是纖維四糖寡糖和葡萄糖之間的比例則決定于所用酸的濃度1纖維素的酸水解1.5酸水解纖維素性質(zhì)變化1、DP降為200左右，成粉末狀；2、吸濕能力改變，先下降后上升；3、堿溶能力增加，4、還原性增強(qiáng)；5、機(jī)械強(qiáng)度下降。1纖維素的酸水解1.6影響酸水解的因素影響纖維素酸水解時(shí)糖的產(chǎn)率的主要因素是：（1）原料的種類和粉碎度；（2）酸的種類和用量；（3）液比系數(shù)；（4）水解時(shí)采用的溫度和時(shí)間。1纖維素的酸水解1.6.2酸的種類和用量

鹽酸催化能力較高，但價(jià)格較高，腐蝕性也強(qiáng)。因此工業(yè)生產(chǎn)上一般使用粗鹽酸作為水解用酸。理論上，在其他條件不變時(shí)，酸的濃度提高一倍，水解時(shí)間可縮短。通常采用稀酸常壓水解時(shí)，酸的濃度為2~3％；稀酸加壓水解時(shí)，酸濃度為0.5~1％。1纖維素的酸水解1.6.3液比系數(shù)

水解時(shí)液體和纖維素原料的比例叫比例系數(shù)液比系數(shù)公式：式中水解過(guò)程中加入的稀酸量（㎏）ABCDM加熱酸、原料、設(shè)備等消耗的蒸汽（㎏）原料內(nèi)的水分（㎏）水解反應(yīng)所消耗的水（㎏）纖維原料的絕干量（㎏）液比系數(shù)增加，單位原料的產(chǎn)糖量也增加，一般液比系數(shù)是5~10。1纖維素的酸水解纖維素多相水解所得殘?jiān)鼮樗饫w維素，所得溶液為低聚糖和單糖溶液。在高溫作用下，降解后的單糖分解，成為有機(jī)酸，使得溶液顯酸性。鋪墊：1.7seaman動(dòng)力學(xué)1、酸水解動(dòng)力學(xué)是一級(jí)反應(yīng)纖維素糖糖分解產(chǎn)物2、動(dòng)力學(xué)公式式中生成的凈還原糖量α起始纖維素濃度t時(shí)間、反應(yīng)常數(shù)1纖維素的酸水解2纖維素的堿降解在一般情況下，纖維素的苷鍵對(duì)堿是比較穩(wěn)定的。制漿過(guò)程中，隨著蒸煮溫度的升高和木質(zhì)素的脫除，纖維素會(huì)發(fā)生堿性降解。主要為堿性水解和剝皮反應(yīng)。2纖維素的堿性降解2.1堿性水解

堿性水解使纖維素的部分苷鍵斷裂，產(chǎn)生新的還原性末端基，聚合度降低，紙漿的強(qiáng)度下降。纖維素堿水解的程度與用堿量、溫度和時(shí)間等有關(guān)，其中溫度的影響最大。當(dāng)溫度較低時(shí)，堿性水解反應(yīng)甚微，溫度越高，水解越強(qiáng)烈。2纖維素的堿性降解剝皮反應(yīng)纖維素葡萄糖末端基在堿作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楣悄┒嘶?.3醛酮糖互變及β-烷氧基消除反應(yīng)2纖維素的堿性降解2.3上述β-烷氧基消除反應(yīng)的機(jī)理是：對(duì)于纖維素中具有β-烷氧基羰基結(jié)構(gòu)時(shí)，在堿性條件下，迅速消去烷氧基，進(jìn)行剝皮反應(yīng)。而OH-（G）n-1具有新的還原性末端基，可繼續(xù)上述反應(yīng)，逐個(gè)脫掉末端基。2纖維素的堿性降解2.4反應(yīng)Ⅱ：終止反應(yīng)2纖維素的堿性降解在剝皮反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)也發(fā)生著終止反應(yīng)。但是，剝皮反應(yīng)速度要大于終止反應(yīng)。在堿法蒸煮時(shí)總是存在剝皮反應(yīng)，其結(jié)果導(dǎo)致纖維素聚合度下降，紙漿得率下降，故在蒸煮后期尤其應(yīng)注意不要過(guò)分延長(zhǎng)時(shí)間以致紙漿得率和強(qiáng)度下降。補(bǔ)充：2纖維素的堿性降解3纖維素的酶分解

酶法水解是指木質(zhì)纖維素經(jīng)預(yù)處理后再在纖維素酶的作用下生成相應(yīng)種類單糖的過(guò)程。3纖維素的酶分解3.1定義

纖維素酶是一種很復(fù)雜的酶,能夠把纖維素降解為低聚葡萄糖、纖維二糖和葡萄糖。它是由幾種酶共同作用下降解纖維素的。酶降解纖維素至少需要三種酶協(xié)同作用:3纖維素的酶分解3.2纖維素酶

3.2.1內(nèi)切葡聚糖酶(EG,endo-1,4-D-葡聚糖水解酶,或EC3.2.1.4),攻擊纖維素纖維的低結(jié)晶區(qū),產(chǎn)生游離的鏈末端基;3.2.2外切葡聚糖酶,常稱纖維二糖水解酶(CBH,1,4-p-D-葡聚糖纖維二糖水解酶,或EC3.2.1.91),通過(guò)從游離的鏈末端脫除纖維二糖單元來(lái)進(jìn)一步降解纖維素分子;3.2.3葡萄糖苷酶(EC3.2.1.21),水解纖維二糖產(chǎn)生葡萄糖。纖維二糖和葡萄糖對(duì)于纖維素酶的催化作用具有強(qiáng)烈的反饋抑制作用。3纖維素的酶分解應(yīng)用酶催化可以高效水解木質(zhì)纖維素,生成單糖。且可在常溫下反應(yīng),水解副產(chǎn)物少,糖化得率高,不產(chǎn)生有害發(fā)酵物質(zhì),可以和發(fā)酵過(guò)程耦合。3纖維素的酶分解3.3酶分解的優(yōu)和不足：3.3.1優(yōu)點(diǎn)：

但是，由于木質(zhì)纖維素致密的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及纖維素結(jié)晶的特點(diǎn),

原料質(zhì)地疏松、密度小、浸水性差，需要合適的預(yù)處理方法,使得纖維素分子成為松散結(jié)構(gòu),便于纖維素酶分子與纖維素分子的結(jié)合,然后通過(guò)纖維素酶分子的催化作用,高效地水解產(chǎn)生單糖。

因此木質(zhì)纖維素酶水解工藝必然包含原料預(yù)處理的重要步驟。3纖維素的酶分解3.3.2不足：3.4原料預(yù)處理利用化學(xué)和物理方法進(jìn)行預(yù)處理,使纖維素與木質(zhì)素、半纖維素等分離開,同時(shí)纖維素內(nèi)部氫鍵打開,成為無(wú)定型纖維素。此外,還進(jìn)一步打斷部分糖苷鍵,降低聚合度,半纖維素被水解成木糖、阿拉伯糖等單糖。經(jīng)預(yù)處理后,有的纖維素的酶法降解速率甚至可以與淀粉水解相比。3纖維素的酶分解3.4.1物理法物理法主要是機(jī)械粉碎?？赏ㄟ^(guò)切、碾和磨等工藝使生物質(zhì)原料的粒度變小,增加和酶接觸的表面積,更重要的是破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)。3纖維素的酶分解

3.4.2物理化學(xué)法3.4.2.1蒸汽爆裂蒸汽爆裂是木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理較常用的方法。蒸汽爆裂法是用高壓飽和蒸汽處理生物質(zhì)原料,然后突然減壓,使原料爆裂降解。3纖維素的酶分解3.4.2.1.1主要工藝:用水蒸汽加熱原料至160～260℃(0.69～4.83MPa),作用時(shí)間為幾秒或幾分鐘,然后減壓至大氣壓。由于高溫引起半纖維素降解,木質(zhì)素轉(zhuǎn)化,使纖維素溶解性增加。蒸汽爆破法預(yù)處理后木質(zhì)纖維素的酶法水解效率可達(dá)90%。

3纖維素的酶分解3.4.2.1.2蒸汽爆裂法的優(yōu)點(diǎn)：能耗低,可以間歇也可以連續(xù)操作。主要適合硬木原料和農(nóng)作物秸稈。但蒸汽爆裂操作涉及高壓裝備,投資成本較高。連續(xù)蒸汽爆裂的處理量較間歇式蒸汽爆裂法有增加,但是裝置更復(fù)雜,投資成本大為增加。3纖維素的酶分解

3.4.2.2氨纖維爆裂氨纖維爆裂法是將木質(zhì)纖維素原料在高溫和高壓下用液氨處理,然后突然減壓,造成纖維素晶體的爆裂。典型的AFEX工藝中,處理溫度在90～95℃,維持時(shí)間20～30min,每千克固體原料用1～2kg氨。

氨纖維爆裂裝備與蒸汽爆裂裝備基本相同,另外需要氨的壓縮回收裝置,因此投資成本也很高。3纖維素的酶分解

3.4.2.3CO2爆裂

CO2爆裂原理與水蒸汽爆裂原理相似,在處理過(guò)程中部分CO2以碳酸形式存在,增加木質(zhì)纖維素原料的水解率。主要工藝:用4kgCO2處理每公斤木質(zhì)纖維素原料,在5.62MPa壓力處理后減壓爆裂處理,其效果比蒸汽爆裂法和氨纖維爆破法差,更缺乏經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。3纖維素的酶分解

3.4.3化學(xué)法3.4.3.1稀酸預(yù)處理法前面已介紹稀酸水解產(chǎn)率低,但其破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu),使原料結(jié)構(gòu)疏松,從而有利于酶水解。經(jīng)過(guò)稀酸處理后可以顯著提高纖維素的水解速率。3纖維素的酶分解3.4.3.2堿預(yù)處理堿處理法是利用木質(zhì)素能夠溶解于堿性溶液的特點(diǎn),用稀氫氧化鈉或氨溶液處理生物質(zhì)原料,破壞其中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu),從而便于酶水解的進(jìn)行。

3纖維素的酶分解

堿處理機(jī)理在于OH-能夠削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵及皂化半纖維素和木質(zhì)素分子之間的酯鍵。

稀NaOH處理引起木質(zhì)纖維原料潤(rùn)脹,結(jié)果導(dǎo)致內(nèi)部表面積增加,聚合度降低,結(jié)晶度下降,木質(zhì)素和碳水化合物之間化學(xué)鍵斷裂,木質(zhì)素結(jié)構(gòu)受到破壞。

堿處理木質(zhì)纖維原料的效果主要取決于原料中的木質(zhì)素含量。3纖維素的酶分解

3.4.4其它預(yù)處理方法文獻(xiàn)報(bào)道還有臭氧處理、有機(jī)溶劑處理、氧化處理等木質(zhì)纖維預(yù)處理方法,但這些方法都因缺乏競(jìng)爭(zhēng)力而很少被應(yīng)用。3纖維素的酶分解3纖維素的酶分解3.4.5在木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化工藝中，酶水解效率低、成本高是主要限制因素如何提高纖維素與纖維素酶的可及度和有效接觸面積，從而減少纖維素酶用量及提高酶解效率是水解技術(shù)的關(guān)鍵3纖維素的酶分解3.5水解效率在酶水解過(guò)程中，由于纖維素酶不可逆地吸附在底物中的木質(zhì)素表面會(huì)導(dǎo)致纖維素酶發(fā)生鈍化，造成纖維素酶的活性急劇降低，再加上纖維素本身的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所以水解效率很低。3纖維素的酶分解3.5.1原因要進(jìn)一步提高纖維素酶水解纖維素的效率,必須解除纖維素酶的反饋抑制。因此將纖維素酶水解與發(fā)酵產(chǎn)乙醇進(jìn)行耦合,使得中間產(chǎn)物纖維二糖和葡萄糖的濃度保持很低水平,從而可以解除其反饋抑制作用。3纖維素的酶分解3.5.2辦法3纖維素的酶分解3纖維素的酶分解3.5.2.1超聲波場(chǎng)處理超聲波催化酶水解的微觀機(jī)理是由于超聲波的能量使纖維素酶分子的動(dòng)能提高和酶分子的碰撞頻率加大，由于動(dòng)能的提高，相對(duì)來(lái)說(shuō)活化能減小，使反應(yīng)速度加快。3.5.2.2表面活性劑法表面活性劑能夠降低溶劑表面張力的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)一般由極性和非極性基團(tuán)構(gòu)成。3.5.2.3非離子型表面活化劑非離子型表面活性劑是多種酶的激活劑，對(duì)酶活性的保護(hù)和增效具有特殊的作用，與離子型表面活性劑相比，具有穩(wěn)定性高、相容性好和溶解性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在酶水解過(guò)程中添加非離子型表面活性劑能夠阻止木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無(wú)效吸附，增加酶的穩(wěn)定性，提高酶水解速度和糖得率。3纖維素的酶分解3.5.2.4添加反應(yīng)因子酶是蛋白質(zhì)，因此影響蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)改變的因子如物理因子“化學(xué)因子等也會(huì)改變酶的活性。目前對(duì)酶解中添加反應(yīng)因子的研究主要集中在一些金屬離子的添加。鉀鈣鈉鎂鐵鋁銅鋅硅磷，其中一些可以作為酶的激活劑來(lái)調(diào)節(jié)酶的活性。

3纖維素的酶分解3.5.2.5使用復(fù)合酶

在酶水解過(guò)程中采用酶復(fù)合制劑使各種不同性質(zhì)的酶協(xié)同作用可以減小纖維二糖產(chǎn)物還原糖和半纖維素水解產(chǎn)物對(duì)酶水解過(guò)程的抑制作用。3纖維素的酶分解3.6高效酶解：高效酶解的因素大致可以分為兩類：一類是與底物相關(guān)的因素，如木質(zhì)素、半纖維素、結(jié)晶度等；一類是與纖維素酶相關(guān)的因素，如纖維素酶酶活力、產(chǎn)物反饋抑制等。3纖維素的酶分解3.6.1與底物相關(guān)的因素木質(zhì)素首先作為物理屏障，阻礙纖維素酶觸及纖維素，其次通過(guò)疏水作用、離子鍵作用和氫鍵作用吸附纖維素酶，導(dǎo)致無(wú)效結(jié)合，使實(shí)際參加酶解的纖維素酶量下降去除生物質(zhì)中的木質(zhì)素和半纖維素有利于提高纖維素的酶解效率。3纖維素的酶分解3.6.2與纖維素酶相關(guān)的因素纖維素酶具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但由于纖維素酶的生產(chǎn)技術(shù)水平低下，生產(chǎn)成本高，生物活性低等使得纖維素酶的應(yīng)用具有局限性。因此，我們需要更加深入和廣泛的探索，克服纖維素酶降解纖維素類原料的瓶頸。隨著纖維素酶