绿液预处理玉米秸秆的酶解发酵集成工艺的研究

【摘要】：本论文以玉米秸秆为原料，研究了绿液预处理玉米秸秆的酶解、带渣发酵工艺（工艺一）、酶水解液己糖戊糖顺序发酵工艺（工艺二）和酶解清液顺序发酵和酶解渣固态发酵工艺（工艺三）路线。主要研究结果如下： 酶解、带渣发酵工艺（工艺一）中采用分批补料的方式，可以很好地解决带渣发酵发酵过程中的底物浓度过低的问题。研究了不同底物浓度下预酶解时间对酶解带渣发酵的影响，以及在相同底物浓度下，不同酵母用量对酶解带渣发酵的影响，还研究了同步糖化发酵。在同步糖化发酵中，20%底物浓度的玉米秸秆经过两次分批补料，纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶的用量分别为25FPIU/g，20IU/g，120IU/g，温度36℃的条件下同步糖化72h可以得到乙醇48.57g/L，乙醇得率0.432g乙醇/g纤维素。 酶水解液己糖戊糖顺序发酵工艺（工艺二）是在低底物浓度（10%）下获得较高的水解得率，然后用水把酶解渣中残留的糖液洗涤出来与酶解清液混合后浓缩，采用酿酒酵母和树干毕赤酵母进行葡萄糖和木糖的顺序发酵。采用与酶解体系1:1的水洗酶解渣中的糖液，葡糖糖和木糖的洗出率分别为78.61%和79.42%，在葡萄糖浓度为99.80g/L时，酿酒酵母OD为15，温度30℃，转速100r/min的条件下发酵48h，乙醇浓度为48.41g/L，乙醇发酵得率为95.11%，乙醇得率为0.387g乙醇/g纤维素。减压蒸发去除乙醇并浓缩木糖至54.38g/L，在树干毕赤酵母OD为20，温度30℃，转速100r/min的条件下，发酵48h后，乙醇浓度为18.43g/L，乙醇得率和乙醇得率分别为79.88%和0.267g乙醇/g半纤维。 酶解清液顺序发酵和酶解渣固态发酵工艺（工艺三）也是在低底物浓度（10%）下获得较高的酶水解得率，然后浓缩清液进行顺序发酵，酶解渣进行固态发酵。10%底物浓度酶解48h可以获得49.69g/L的葡萄糖和20.07g/L的木糖；而葡萄糖的酶水解得率为79.57%，木糖的酶水解得率为72.75%。浓缩葡萄糖浓度至92.66g/L，发酵48h，乙醇浓度为45.43g/L，乙醇得率为96.14%，乙醇得率为0.391g乙醇/g纤维素。浓缩木糖浓度至60.96g/L，发酵48h后，乙醇浓度为19.43g/L，乙醇得率为80.26%，乙醇的得率为0.232g乙醇/g半纤维素。酶解渣在酿酒酵母添加量为2×106个/g酶解渣，36℃条件下，进行固态发酵72h，可以获得5.61g乙醇。 比较这三种工艺，工艺一生产1t乙醇需要消耗玉米秸秆6.56t，工艺二生产1t乙醇需要消耗5.84t玉米秸秆，而工艺三生产1t乙醇则需要消耗玉米秸秆5.02t。虽然工艺一的吨乙醇原料消耗较多，但是相较于工艺二和工艺三的繁琐操作来说，工艺一的工艺简单，便于工业化操作。 【关键词】：玉米秸秆 绿液预处理 纤维素酶水解 乙醇发酵 集成技术
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ920.6
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 前言9-10
• 1.1 研究背景9-10
• 2 文献综述10-21
• 2.1 木质纤维素的组成10-11
• 2.2 木质纤维素的预处理11
• 2.3 木质纤维素的酶水解11-14
• 2.3.1 纤维素酶11-12
• 2.3.2 纤维素酶的催化机制12-13
• 2.3.3 底物对纤维素酶的吸附与脱吸附13-14
• 2.3.4 影响纤维素酶降解的主要因素14
• 2.4 己糖发酵14-16
• 2.4.1 己糖发酵机理14-15
• 2.4.2 影响己糖发酵的因素15-16
• 2.5 戊糖发酵16-18
• 2.5.1 戊糖发酵机理16-17
• 2.5.2 影响戊糖发酵的因素17-18
• 2.6 木质纤维原料生物炼制乙醇的工艺18-21
• 2.6.1 低底物浓度纤维素水解、清液发酵工艺19
• 2.6.2 高底物浓度纤维素水解、带渣乙醇发酵工艺19-20
• 2.6.3 纤维素同步糖化发酵工艺20
• 2.6.4 乙醇的回收20-21
• 3 材料与方法21-29
• 3.1 主要化学试剂21
• 3.2 实验仪器和设备21-22
• 3.3 原料预处理22
• 3.4 酿酒酵母和毕赤酵母的增殖和发酵培养基22
• 3.4.1 酿酒酵母22
• 3.4.2 树干毕赤酵母22
• 3.5 酶解发酵22-25
• 3.5.1 酶解带渣发酵22-23
• 3.5.2 己糖、戊糖顺序发酵23-25
• 3.5.3 酶解液顺序发酵和酶解渣固态发酵25
• 3.6 分析方法25-29
• 3.6.1 原料水分的测定25
• 3.6.2 物料中纤维素、木聚糖和木质素的测定25-26
• 3.6.3 滤纸酶活力测定26-27
• 3.6.4 β-葡萄糖苷酶活力测定27
• 3.6.5 木聚糖酶活力测定27-28
• 3.6.6 酵母浊度（OD）的测定28
• 3.6.7 酵母计数28
• 3.6.8 单糖和乙醇的测定28-29
• 4 结果与讨论29-51
• 4.1 玉米秸秆绿液预处理物料成分分析29
• 4.2 玉米秸秆酶解、带渣发酵29-41
• 4.2.1 底物浓度对纤维素酶水解的影响30-31
• 4.2.2 酵母浓度对酶解帯渣发酵的影响31-32
• 4.2.3 酶解时间对不同底物浓度带渣发酵的影响32-38
• 4.2.4 同步糖化发酵38-39
• 4.2.5 小结39-41
• 4.3 酶水解液己糖戊糖顺序发酵41-45
• 4.3.1 低底物浓度的酶解41-42
• 4.3.2 酶解渣糖液洗涤42-43
• 4.3.3 浓缩糖液的己糖发酵43
• 4.3.4 己糖发酵醪液蒸馏液的戊糖发酵43-44
• 4.3.5 小结44-45
• 4.4 酶解清液顺序发酵和酶解渣固态发酵45-48
• 4.4.1 10%底物浓度的酶解45
• 4.4.2 浓缩酶水解液的己糖发酵45-46
• 4.4.3 浓缩酶水解液的戊糖发酵46-47
• 4.4.4 酶解渣固态发酵47
• 4.4.5 小结47-48
• 4.5 三种酶解和发酵工艺技术的对比研究48-51
• 4.5.1 三条工艺路线的衡算对比48-49
• 4.5.2 三条工艺路线的优劣对比分析49-51
• 5 结论与展望51-53
• 5.1 结论51
• 5.2 特色和创新51-52
• 5.3 展望52-53
• 参考文献53-57

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