纤维素离子热合成介孔炭及其用于纤维素酶固定化的研究

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为了解决日渐严重的能源危机、温室气体排放和环境污染问题,使用绿色可再生的木质纤维生物质替代化石燃料作为人类社会的能源正在受到越来越多的关注。由于酶可以在温和条件下破坏纤维素顽抗的晶态结构,而且对环境造成化学污染小,纤维素的酶解将是纤维素未来利用的重点方向。游离纤维素酶的生产成本较高,而且不可重复利用,限制了酶的工业应用。因此,将酶固定在合适的载体上,既能保持酶的催化活力,又可以实现酶的重复利用,将是酶工业化的重要研究内容。  本研究在150℃的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(l-butyl-3-methyl-imidazolium chloride,[BMIm]Cl)中对纤维素进行离子热炭化,制备碳前驱体,再将前驱体在N2氛围、300℃进行热解,制备出生物炭,并对炭的相关性质进行表征。利用所得的生物炭吸附纤维素酶,对固定化酶和游离酶的活性、稳定性和反应动力学特征进行了比较研究。使用[BMIm]Cl预处理并再生纤维素,研究了纤维素酶对再生纤维素的催化活性以及固定化酶的循环使用。最后,对纤维素在20%(w/v)1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate,[EMIm]Ac)离子液体体系中的原位糖化,以及固定化酶和游离酶在体系中的活性和稳定性进行了研究。结果表明:  (1)所得生物炭的C/H/O比例为56.16∶3.26∶39.62,比表面积为413.7 m2/g,平均孔径为95(A),属于介孔炭,适合纤维素酶蛋白质的进入与吸附。  (2)纤维素酶在生物炭载体表面的吸附对纤维素酶的活性产生了不利影响。但是,固定化酶对羧甲基纤维素的亲和力要高于游离酶,抗温度和pH值波动的能力也优于游离的纤维素酶。  (3)游离纤维素酶的不同组分在微晶纤维素的原位糖化产生了协同作用。离子液体[EMIm]Ac对游离酶产生了不可逆的抑制,但是通过酶的固定化后可以降低酶的失活。采用固定化酶技术和离子液体预处理联用的方法,可以显著提高纤维素的水解效率和酶反应的稳定性。当固定化酶和再生纤维素的质量比为30∶1,反应时间为24 h时,酶解液中总还原糖产率可达99.9%,而在5次循环使用后仍能保留92.2%的还原糖产率。
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