玉米秸秆发酵生产酒精的研究.doc

玉米秸秆发酵生产酒精的研究 The Study on Ethanol Production from Corn Stover 分页下载 分章下载 整本下载 在线阅读 不支持迅雷等下载工具。如阅读文献显示异常，请下载并安装新版CAJ阅读器。 【作者】 张强； 【导师】 殷涌光 【作者基本信息】 吉林大学， 农业机械化工程， 2011， 博士 【摘要】 世界石油资源的日益枯竭以及不断增长的温室气体效应,使人们对非石油能源产生了极大的兴趣。据报道中国传统能源的储量并不乐观,石油大约可开采50年左右,另一项重要能源—天然气可开采70年。2004年的一项数据表明：经过20年的开采,煤炭储藏量已经降低到了最低点。利用生物质原料生产燃料酒精部分替代化石燃料已经引起人们极大关注,燃料酒精的使用将会大大减少二氧化碳及其它有害气体的排放。与化石燃料相比,燃料酒精作为一种可再生能源,可以通过广泛的糖类物质发酵生产,其中利用成本低廉、数量巨大的纤维质类物质—例如玉米秸秆生产燃料酒精尤为引人关注。玉米秸秆是丰富的农业废弃物,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。玉米秸秆在我国产量巨大,每年产量有一亿多吨。玉米秸秆除了少部分被利用外,绝大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境,造成极大的污染和浪费,而且这种直接燃烧的方法热效率很低,大约只有10%左右。如果将它们转化成气体或液体燃料,例如酒精、氢气、柴油等,热效率可达30%以上。这样不但缓解人类所面临的资源危机,食物短缺,环境污染等一系列问题,也为人类持续发展提供了保证。原料的成本在酒精生产中占有很大的比例,为了实现工业化生产,必须降低酒精生产成本,而充足便宜的原料是必须。因此利用玉米秸秆作为发酵工业原料具有巨大的潜力。为了充分利用玉米秸秆资源,找到适合的玉米秸秆生产酒精工艺,最终实现工业化生产。本文利用玉米秸秆为原料,对玉米秸秆发酵酒精进行了研究。主要研究内容分为五部分,一是研究了不同湿热预处理条件的优化。二是利用活性干酵母对经过湿氧化预处理后的玉米秸秆同步糖化发酵制备酒精进行了研究。三是利用树干毕赤酵母(Pichia stipitis)对玉米秸秆发酵制备燃料酒精进行了研究。四是研究了不同脱毒方法对湿热预处理后的玉米秸秆水解液酒精发酵的影响。五是研究了水热预处理及脱毒结合对酒精发酵的影响.1.不同湿热预处理条件的优化玉米秸秆由于结构复杂致密,因此为提高酶解性首先要进行预处理。湿热预处理是高温条件下由水参与进行的反应。195℃预处理15分钟被报道是最佳的条件。与其它预处理方法相比,湿热预处理过程产生较少的发酵抑制剂。本文对湿热预处理条件进行了优化,主要研究了玉米秸秆在不同湿热预处理条件下,纤维素及半纤维素的回收率以及酶解率,结果表明：(1)在A (195℃,15min)、B (195℃,15min,O2 12bar)及C(195℃,15min, Na2CO3 2g/L, O2 12bar)三种预处理条件下,约90%纤维素都保留在固体中,大部分半纤维素和木质素被溶解或分解在水解液中,有效地解除了对纤维素的束缚。(2)最佳预处理条件为C,纤维素总回收率达到95.87%,高于其它预处理条件下的纤维素总回收率,固体部分24h酶解率达到了67.6%,而原料玉米秸秆酶解率仅为16.2%。2.玉米秸秆湿氧化预处理同步糖化发酵酒精目前大部分利用纤维质原料生产酒精实验并不是利用真实的水解液,往往在水解液中加入葡萄糖或木糖,为了验证真实的生产工艺过程,葡萄糖或木糖都应来自预处理后的酶水解液,也就是采用同步糖化发酵法(SSF)进行酒精发酵。发酵过程中采用生长旺盛,有较强的耐抑制剂能力的活性干酵母(S. cerevisiae)作为生产菌种,将有利于实现工业化生产。本文主要研究了玉米秸秆经过湿氧化(195℃,15min,Na2CO3 2g/L,O212 bar)预处理后,纤维素及半纤维素的回收率以及预处理后固体部分的酶解效率。在底物浓度8%(W／V)情况下,对活性干酵母同步糖化发酵制备酒精进行了研究。结果表明：(1)玉米秸秆经过湿氧化预处理并过滤后主要分为固体和水解液两部分预处理后90%纤维素保留在固体中,纤维素总回收率达到95.87%。而半纤维素总回收率为68.2%,纤维素的回收率明显高于半纤维素。主要是因为半纤维素很不稳定,在高温、较长时间的湿氧化预处理条件下易分解成羧酸及H20与C02,故半纤维素的得率较低,而纤维素的得率较高。(2)预处理后的固体部分利用纤维素酶处理,50℃24h酶解率达到了67.6%,而原料玉米秸秆酶解率仅为16.2%。可见湿氧化预处理有效地改变了固体部分的组成和结构,从而更利于纤维素酶的水解作用。(3)利用活性干酵母对底物浓度为8%的湿氧化预处理后的固体与液体混合液进行了同步糖化发酵,经过142h