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造纸废弃纤维糖化研究

摘要：利用Plackett-Burman设计法筛选造纸废弃纤维糖化的主要影响因素，采用Box-Benhnken 实验设计优化造纸废弃纤维糖化实验条件。结果表明：酶解时间、底物浓度、酶用量是影响废弃纤维糖化效率的主要因素；在酶解时间81.5h、底物浓度51.3g/L、复合纤维素氧化酶酶量37.2IU/g底物的条件下，糖化率可达到73%以上。
关键字： 废弃纤维 糖化 氧化酶

1、前言
随着全球能源价格的持续上涨，世界能源危机进一步加剧，开发利用可持续能源已成为人类最紧迫任务之一，生物质能源作为一种高效、清洁能源，在近年得到了快速的发展利用[1]。燃料乙醇作为一种常用的生物质能源，不仅可减少一氧化碳排放，而且能提高汽油的辛烷值，避免使用含铅物质或甲基叔丁醚（MTBE），从而改善生态环境[2]。目前乙醇的生产原料主要为陈化粮和玉米，价格昂贵，且消耗巨大时，影响粮食安全。利用造纸行业丰富廉价的木质纤维代替粮食生产燃料乙醇，不仅解决了造纸厂固体废弃物的处理问题，对经济和社会的可持续发展也有着十分重要的意义。造纸废弃纤维生产乙醇主要经历两个步骤，纤维转化生产糖（糖化过程）和糖液发酵生产乙醇[3]。在此过程中，纤维素糖化率对乙醇的生产效率有重大影响，本研究通过对影响糖化率因素的筛选和各主要因素技术参数的比选，确定最优试验条件，为中试及规模化生产乙醇提供参考依据。
2、造纸废弃纤维素成分分析
本研究所用造纸污泥为卫生纸厂原木浆在造纸过程中产生的初级污泥，其主要成分及各组分含量见表1。该造纸污泥中纤维含量很高，木素含量较低，有利于复合纤维素酶氧化酶酶将其中的纤维素转化为可被利用的还原糖。

表1 造纸污泥主要成分及含量
污泥成分
水分
纤维素
半纤维素
木素
灰分
其它
含量/％
4.3
60.8
14.2
8.4
10.7
1.6
3、造纸废弃纤维糖化影响因素分析
3.1主要影响因素筛选
影响废弃纤维糖化效果的因素很多，根据酶解影响因素的一般规律结合相关的文献报道，选取了时间(A)、pH值(B)、温度(D)、摇床转速(E)、底物浓度(G)、复合纤维素酶氧化酶酶量(H)、木聚糖酶(J)和吐温-20(K)8 个因素进行考察，利用Plackett-Burman设计法筛选影响酶解的重要因素。本次研究中，每个因素取两个水平，响应值为酶解得率(Y)。另设3个虚拟列，以考察实验误差。实验设计与结果见表2, 各因素主效应分析结果见表3。
表2 Plackett-Burman 实验设计与结果
N
A
B
(C)
D
E
(F)
G
H
(I)
J
K
Y (%)
1
1
1
-1
1
-1
-1
-1
1
1
1
-1
54.5
2
1
1
1
-1
1
1
-1
1
-1
-1
-1
49.0
3
-1
1
1
1
-1
1
1
-1
1
-1
-1
22.9
4
-1
1
1
-1
1
-1
-1
-1
1
1
1
24.2
5
1
-1
1
1
-1
1
-1
-1
-1
1
1
36.3
6
1
1
-1
1
1
-1
1
-1
-1
-1
1
28.6
7
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
23.5
8
-1
-1
1
1
1
-1
1
1
-1
1
-1
31.0
9
-1
1
-1
-1
-1
1
1
1
-1
1
1
34.0
10
-1
-1
-1
1
1
1
-1
1
1
-1
1
39.5
11
1
-1
1
-1
-1
-1
1
1
1
-1
1
40.6
12
1
-1
-1
-1
1
1
1
-1
1
1
-1
27.7
表3 各因素的主效应
实验因素
水平
t值
P值
显著性
-1
1
A 时间/h
24
48
10.06
0.002
2
B pH值
45
5.0
2.38
0.097
4
D 温度/℃
50
55
2.25
0.110
5
E 摇床转速/ r.min-1
80
120
-1.93
0.150
6
G 底物浓度/ g.L-1
50
100
-6.89
0.006
3
H 复合纤维素酶氧化酶酶量/IU.g-1
10
20
13.95
0.001
1
J 木聚糖酶/IU.g-1
0
100
0.59
0.598
8
K 吐温-20/%
0
0.1
-0.88
0.443
7
由表3的分析结果可知，复合纤维素酶氧化酶酶解造纸废弃纤维过程中，时间、底物浓度和复合纤维素氧化酶用量3个因素对酶解得率的影响高度显著，是影响糖化效率的主要因子。
3.2 主要因子对酶解得率的影响
（1）时间对酶解得率的影响
实验条件：温度55℃、pH值5.0、摇床转速80r/min、底物浓度50g/L、复合纤维素氧化酶用量为20IU/g底物，实验结果如下图1所示：

图1 时间对酶解得率的影响
分析图1可知，随着时间的延长，酶解得率逐步提高，在前36小时，提高速率较快，当酶解时间达到72小时后，酶解得率趋于稳定。
（2）底物浓度对酶解得率的影响
实验条件：温度55℃、pH值5.0、摇床转速80r/min，酶解时间72h、复合纤维素氧化酶用量为20IU/g底物，实验结果如下图2所示：

图2 底物浓度对酶解得率的影响
从图2可以看出，酶解得率在底物浓度较低时（小于50g/L）得率比较稳定，随着底物浓度增加，酶解得率逐渐下降。
（3）复合纤维素氧化酶用量对酶解得率的影响
实验条件：温度55℃、pH值5.0、摇床转速80r/min，酶解时间72h、复底物浓度50g/L，实验结果如下图3所示：

图3 复合纤维素氧化酶量对酶解得率的影响
从上图可以看出酶解得率随着复合纤维素氧化酶用量的增加呈现先增后减的趋势，当复合纤维素氧化酶用量在30IU/g底物左右时，得率相对较高。
4、造纸废弃纤维素糖化条件优化
酶解时间、底物浓度、酶用量对废纤维素的糖化影响较大，各因子也会交互影响，依据Plackett-Burman 实验和单因素对酶解得率的影响实验确定实验因素与水平，采用Box-Benhnken 实验设计对造纸污泥酶解进行三因素三水平的响应面分析实验[4]。根据实验结果及理论分析，酶解时间81.5h、底物浓度51.3g/L和复合纤维素酶氧化酶酶用量37.2IU/g底物时，理论最大酶解得率为73.6％。
根据实验结果及理论推算，得到酶解得率达最大值时的工艺条件为: 时间81.5h、底物浓度51.3g/L、复合纤维素氧化酶酶量37.2IU/g底物。在此优化条件下进行验证实验，三次重复，所测得的酶解得率分别为：74.5％，73.2％，74.1％，平均值为73.9％，试验值与理论推算基本一致， 推算模式基本可行。
5、结束语
利用造纸废弃纤维素高效糖化生产乙醇不但可以减少污染，同时可以缓解能源危机。造纸废弃纤维素糖化效果的影响因素很多，其中酶解时间、底物浓度、酶用量对糖化率影响最大，通过理论分析及实验证明，在酶解时间81.5h、底物浓度51.3g/L、复合纤维素氧化酶酶量37.2IU/g底物的条件下，糖化率较高可达到73%以上。该实验结果为项目的进一步中试及实际生产提供参考。

参考文献：
1、王超,章超桦. 酶解纤维素类物质生产燃料酒精的研究进展[J].纤维素科学与技术, 2003, (04) :6-9
2、金慧,刘荣厚,沈飞,梅晓岩. 甜高粱茎汁固定化酵母乙醇发酵工艺优化的试验研究[J]农业工程学报, 2008, (04) :194-198
3、彭林才 陈元彩 付时雨. 酵母发酵条件的优化及其发酵造纸污泥产乙醇[J].食品与发酵工业，2009,5:1-5
4、彭林才 陈元彩 付时雨 詹怀宇. 造纸污泥同步糖化发酵生产燃料乙醇[J].华南理工大学学报(自然科学版).2010,38（8）：34-39