汽爆秸秆中副产物对产乙醇过程影响及生物解毒效能研究

【摘要】：利用废弃的纤维素类物质生产燃料酒精是解决能源危机的有效途径之一。纤维素乙醇生产中,原料必须经过预处理,但是预处理后产生的某些副产物会抑制酶解或发酵。本文以目前应用最广泛的蒸汽爆破预处理法为研究对象,考查了玉米秸秆蒸汽爆破预处理后产生的几种有机物和无机物对发酵的影响。并且根据这一结果,研究了本实验室筛选的解毒菌株FLZ10对这些物质的去除作用,并以此对该菌株的生物解毒作用做进一步的研究。 首先,利用AFM技术观察预处理前后玉米秸秆表面结构的变化,证明汽爆预处理和酸爆预处理技术可以起到打破纤维素原料紧密结构的作用。根据对汽爆秸秆原料的洗液及醪液分析结果,研究了预处理和发酵副产物对乙醇产量的影响。结果表明,无机离子Mg~（2+）和Fe~（2+）对乙醇产量有明显的抑制作用,乙醇产量分别降低34.43%和11.48%;乙醇产量会随着全盐量的增加而降低;有机物甲酸≤2g/L浓度范围内不表现明显的抑制作用而是有轻微的促进作用;乙酸在低浓度时表现对发酵的促进作用,浓度达15g/L时,抑制明显,乙醇产量降低91.69%,并随着乙酸浓度增加抑制增强;糠醛浓度≤1g/L时对乙醇产量有明显的促进作用;当5-HMF得浓度≥2.0g/L时,对乙醇产量产生抑制,乙醇产量降低54.03%。 其次,以副产物的抑制作用为依据,研究FLZ10菌剂对这些物质的去除效果。结果表明,无机离子方面,FLZ10对Ca~（2+）、Mg~（2+）、Al~（3+）、Fe~（2+）均有明显的去除效果,培养48h去除率分别为70%、50%、90%、80%。有机物方面,35℃时以葡萄糖为碳源的培养基中,FLZ10对乙酸、丙酸、丁酸于96h的去除率可分别达24.20%、30.92%、27.73%。35℃时以葡萄糖为碳源的培养基中,FLZ10对糠醛和5-HMF的去除率分别为56.52%、69.21。在实际发酵中,FLZ10的生物解毒效果明显,可取得与水洗解毒相同的效果,并且可辅助水洗解毒,乙醇终产量可达50g/L。 再次,为了降低生物解毒成本,对FLZ10菌剂培养基进行优化。根据测得几种菌剂的CB酶活和FPA酶活及其对秸秆洗液中抑制物的去除,表明50℃比40℃更利于酶的作用,而40℃比50℃更利于FLZ10对发酵抑制物的代谢。以原培养基做参照,菌剂优化试验培养基中全麸皮培养基的CB酶活和FPA酶活均最高;SBR和EGSB出水培养基对有机酸的去除效果最好;全麸皮培养基对甲酸、糠醛和5-HMF的去除效果均最佳。但是几种培养基在40℃时,对抑制物的去除效果差别并不是很大,经综合评价,确定可以用价格低廉的玉米秸秆粉代替结晶纤维素制作菌剂培养基。 最后,讨论了几种微量元素营养物的添加对发酵的贡献。经过单因素分析和正交分析,得到实验结果表明,微量元素营养物可以促进发酵,营养物质中对乙醇产量的影响大小依次为泛酸钴VB1锌锰镍肌醇。七种物质应选的加入量分别为六水氯化镍50μm/L、四水氯化锰25mg/L、七水硫酸锌6mg/L、八水氯化钴30μm/L、肌醇150mg/L、泛酸10ml/L、VB1150mg/L。 【关键词】：生物解毒 解毒菌剂 抑制物的去除 纤维素乙醇
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 纤维素发酵产燃料乙醇的国内外研究现状12-13
• 1.2.1 木质纤维素产燃料乙醇国外研究现状12
• 1.2.2 我国的研究现状12-13
• 1.3 木质纤维素生产燃料乙醇的关键工艺技术13-19
• 1.3.1 木质纤维素材料的预处理工艺及其现状14-16
• 1.3.2 木质纤维素材料的水解工艺及其现状16-17
• 1.3.3 木质纤维素材料的发酵工艺及其现状17-19
• 1.4 木质纤维素生产燃料乙醇中的抑制物及其去除19-24
• 1.4.1 抑制物的产生及抑制机理19-22
• 1.4.2 抑制物的去除（解毒）22-24
• 1.5 课题研究的目的、意义及主要内容24-26
• 1.5.1 课题研究的目的、意义24
• 1.5.2 研究的主要内容24-26
• 第2章 实验材料与方法26-33
• 2.1 实验材料与仪器26-27
• 2.1.1 纤维素26
• 2.1.2 菌种和纤维素酶26-27
• 2.1.3 实验仪器27
• 2.2 实验试剂与培养基的配置27-30
• 2.2.1 实验用试剂的配置27-28
• 2.2.2 实验常用基础培养基28
• 2.2.3 菌剂培养基28-29
• 2.2.4 发酵培养基29-30
• 2.2 实验方法30-33
• 2.3.1 菌种活化30
• 2.3.2 菌剂、酶液和粗酶液的制备方法30
• 2.3.3 糖类及乙醇的测定方法30-31
• 2.3.4 抑制物浓度的测定方法31-32
• 2.3.5 纤维素酶活测定方法32
• 2.3.6 FLZ10 解毒研究的实验设计32-33
• 第3章 预处理及发酵副产物对乙醇产量的影响33-45
• 3.1 蒸汽爆破预处理秸秆洗液及发酵醪液中抑制物成分分析33-35
• 3.1.1 预处理后玉米秸秆表面结构的改变33-34
• 3.1.2 汽爆秸秆洗液及发酵醪液中抑制物成分分析34-35
• 3.2 发酵液中无机离子及有机酸、醛类对酵母活性的影响35-43
• 3.2.1 发酵液中无机离子对酵母的影响35-37
• 3.2.2 发酵醪液中有机酸、醛对乙醇产量的影响37-41
• 3.2.3 联合抑制作用41-43
• 3.3 本章小结43-45
• 第4章 汽爆秸秆产乙醇过程中生物解毒试验研究45-63
• 4.1 FLZ10 作为解毒菌株对发酵液中抑制物的代谢的作用研究45-52
• 4.1.1 FLZ10 对无机盐的代谢45-48
• 4.1.2 FLZ10 对有机抑制副产物的共代谢研究48-52
• 4.2 实际发酵中FLZ10 菌剂生物解毒效果的研究52-56
• 4.2.1 FLZ10 菌剂用于生物解毒的效果研究52-54
• 4.2.2 生物解毒在不同工艺中的效果对比54-55
• 4.2.3 不同生长形式的FLZ10 解毒效果比较55
• 4.2.4 生物解毒与水洗解毒的效果对比55-56
• 4.3 FLZ10 菌剂制作工艺的优化56-62
• 4.3.1 实验设计56-57
• 4.3.2 滤纸酶活与β-葡萄糖苷酶活的测定57-58
• 4.3.3 菌剂对秸秆水洗液中抑制物去除效果的比较58-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 提高醪液中乙醇浓度的试验研究63-69
• 5.1 通过营养物的添加促进发酵作用的研究63-65
• 5.1.1 单因素微量元素的添加对发酵的影响63-64
• 5.1.2 单因素必需生长因子的添加对发酵的影响64-65
• 5.2 正交分析65-67
• 5.2.1 正交实验设计65
• 5.2.2 正交试验优化培养基成分配比65-67
• 5.3 发酵体系中营养物质的添加对乙醇产量的作用67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-71
• 参考文献71-79
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果79-81
• 致谢81

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