汽爆玉米秸秆同步糖化发酵产乙醇的工艺研究

【摘要】： 随着世界经济的发展,特别是汽车工业的发展,石油供不应求,各国政府开始考虑燃料的自给问题,需找新的替代能源已成为社会发展的必然趋势。而纤维乙醇作为一种生物质能源,具有原料来源丰富、可再生、减少环境污染等优点,已成为石油替代能源的重要选择之一。近年来,对纤维乙醇生产的研究已成为生物质能源领域中的重要研究课题。 本论文是以汽爆玉米秸秆为原料,主要从木质纤维素生产燃料乙醇的研究进展、木质纤维素的酶解工艺条件优化、同步糖化发酵的工艺条件优化、同步糖化发酵过程的动力学研究、同步糖化发酵几种工艺的比较、以及变温同步糖化发酵的放大试验等几个方面对同步糖化发酵进行了考察,结论如下： (1)介绍了发展燃料乙醇的必然性和我国发展燃料乙醇所处的阶段和重要意义；阐述了纤维乙醇的预处理、糖化和发酵的几种方法,并做了简要的比较；介绍了纤维素酶的研究进展；分析和比较了几种分离方法；以及推进燃料乙醇工业化的几个亟待解决的问题和其发展前景。 (2)采用单因素分析的方法对影响木质纤维素酶解的五个因素进行了研究,得出木质纤维素酶解的适宜工艺条件为：温度50℃,pH 4.8,纤维素酶用量30 U/g,底物浓度15%,Tween20 0.15%(质量分数),酶解时间为48 h,此条件下纤维素的酶解率为76.96%。 (3)采用单因素分析和正交试验的方法对影响SSF法生产乙醇的九个因素进行了研究,得到了在温度37℃,pH 4.8,表面活性剂Tween-20 0.15%(质量分数),底物浓度15%(质量分数),纤维素酶用量30 U/g,2%葡萄糖活化的酵母接种量5‰,优化的培养基的组成为：KH2PO4 2.5 g/L, (NH4)2SO4 2.0g/L, MgSO4·7H2O 0.15 g/L, CaCl2 0.35 g/L,发酵周期60 h的条件下,蒸汽爆破秸秆的乙醇得率可达到理论转化率的88.12%,表明SSF工工艺具有较好的发酵水平,这些结果可以为进一步放大研究提供重要的参考价值。 (4)通过对SSF法生产乙醇的动力学的研究,构建了SSF法生产乙醇的动力学模型,其模型为：底物消耗模型：菌体生长模型：产物形成模型：该模型的建立可以加深我们对SSF法生产乙醇的认识,为自动化控制提供依据。 (5)通过同步糖化发酵玉米秸秆产乙醇的几种工艺的比较,得出较优的同步糖化发酵工艺为变温同步糖化发酵,其比同步糖化发酵提高了7.56%,比预酶解的分批补料糖化发酵效率提高了12.60%,比分步糖化发酵的效率提高了23.07%,由此可见变温对糖化发酵的影响是很显著的。 (6)进行了变温同步糖化发酵的50 L放大实验,其乙醇浓度为4.26(V/V)是实验室小试时乙醇浓度4.98(V/V)的85.60%。 【关键词】：纤维素 同步糖化发酵 预处理 酶解 发酵 乙醇 纤维素酶 酵母
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 文献综述12-26
• 1.1 纤维乙醇的发展背景12-14
• 1.2 木质纤维素的预处理14-18
• 1.2.1 纤维原料的结构14-15
• 1.2.2 纤维素预处理的目的及方法15-17
• 1.2.3 纤维素酶的研究进展17-18
• 1.3 纤维素的糖化和发酵18-23
• 1.4 乙醇发酵与产物分离耦合23-24
• 1.5 同步糖化技术的展望与方向24-25
• 1.6 本实验研究目的与意义25-26
• 2 纤维素酶解的工艺研究26-39
• 2.1 木质纤维素的结构26-28
• 2.2 材料与方法28-32
• 2.2.1 实验材料28
• 2.2.2 试验方法28-29
• 2.2.3 分析方法29-32
• 2.2.3.1 秸秆成分的测定29
• 2.2.3.2 还原糖含量的测定29-31
• 2.2.3.3 纤维素酶活的测定31-32
• 2.2.3.4 酶解率的计算32
• 2.3 试验结果与分析32-38
• 2.3.1 温度对酶解过程的影响32-33
• 2.3.2 pH值对酶解过程的影响33-35
• 2.3.3 纤维素酶的用量对酶解过程的影响35-36
• 2.3.4 底物浓度对酶解过程的影响36-37
• 2.3.5 酶解时间对酶解过程的影响37-38
• 2.4 结论38-39
• 3 同步糖化发酵生产乙醇的工艺研究39-52
• 3.1 材料与方法40-42
• 3.1.1 实验材料40
• 3.1.2 试验方法40
• 3.1.3 分析计算方法40-42
• 3.1.3.1 秸秆成分的测定41
• 3.1.3.2 乙醇体积分数的测定41-42
• 3.1.3.3 乙醇转化率的计算42
• 3.2 试验结果与分析42-51
• 3.2.1 温度对发酵的影响42-43
• 3.2.2 pH值对发酵的影响43-44
• 3.2.3 底物浓度对发酵的影响44-46
• 3.2.4 表面活性剂对发酵的影响46
• 3.2.5 纤维素酶用量对发酵的影响46-47
• 3.2.6 酵母活化方式对发酵的影响47-48
• 3.2.7 酵母接种量对发酵的影响48-49
• 3.2.8 培养基组成对发酵的影响49-50
• 3.2.9 发酵时间对发酵的影响50-51
• 3.3 结论51-52
• 4 同步糖化发酵生产乙醇的动力学研究52-65
• 4.1 实验材料与方法52-55
• 4.1.1 实验材料52-53
• 4.1.2 分析方法53-55
• 4.1.2.1 纤维素含量测定53
• 4.1.2.2 还原糖含量测定53
• 4.1.2.3 乙醇体积分数的测定53
• 4.1.2.4 酵母质量的测定53-55
• 4.1.3 计算方法55
• 4.1.3.1 纤维素转化率的计算55
• 4.1.3.2 酵母质量浓度计算55
• 4.1.4 试验方法55
• 4.2 实验结果与分析55-58
• 4.2.1 纤维素的转化率随时间的变化关系56-57
• 4.2.2 酵母的质量浓度随时间的变化关系57
• 4.2.3 乙醇的体积分数随时间的变化关系57-58
• 4.3 动力学模型的建立58-61
• 4.3.1 底物消耗模型58-59
• 4.3.2 菌体生长模型59-60
• 4.3.3 产物形成模型60
• 4.3,4 动力学方程的选取和参数拟合60-61
• 4.4 动力学模型的验证61-64
• 4.5 结论64-65
• 5 同步糖化发酵生产乙醇的工艺比较及其放大试验65-73
• 5.1 实验材料与方法66-68
• 5.1.1 实验材料66
• 5.1.2 分析方法66-67
• 5.1.2.1 纤维素含量测定66-67
• 5.1.2.2 乙醇体积分数的测定67
• 5.1.2.3 酵母生长情况的测定67
• 5.1.2.4 还原糖浓度的测定67
• 5.1.3 试验方法67-68
• 5.2 实验结果与分析68-69
• 5.3 变温同步糖化发酵的放大实验69-71
• 5.4 结论71-73
• 6 结论与展望73-75
• 6.1 实验结论73-74
• 6.2 研究展望74-75
• 参考文献75-80
• 发表论文80-81
• 致谢81

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