稻草秸秆同步糖化发酵制备纤维素乙醇的研究

【摘要】： 石油、煤炭等传统能源日渐枯竭,且伴随有环境污染。解决能源危机和环境污染迫在眉睫,利用稻草、玉米或小麦秸秆发酵制备生物燃料乙醇能够缓解上述危机。国内外对秸秆燃料乙醇已进行了多年的研究和应用工作,但至今依然存在诸多关键制约因素。文献表明,制约秸秆燃料乙醇规模化生产的瓶颈问题有三:一是原料的预处理造成严重的环境污染或处理成本偏高;二是发酵阶段中糖的利用率低造成燃料乙醇产率偏低;三是纤维素酶由于还原糖的抑制作用致使酶解秸秆效率偏低,导致水解液中还原糖低,造成燃料乙醇生产成本高。 本文拟采用稻草秸秆绿色化预处理工艺和筛选高产纤维素酶生产菌、耐高温高转化率乙醇酵母及同步糖化发酵工艺解决秸秆纤维素制备燃料乙醇的诸多瓶颈问题。为此,本文通过大量的试验,取得了阶段性的成果。主要包括以下几个方面: (1)稻草纤维素预处理条件研究。本文从机械粉碎、微波处理、酸碱处理、甘油处理以及甘油与微波联合处理等方面研究了预处理对稻草酶解的影响。确定了采用7 g甘油与320 W微波联合处理6 min的1g稻草粉作为同步糖化发酵过程优化的实验原料。 (2)高产纤维素酶生产菌的选育及生物学特性研究。通过一系列筛选和纯化工作,从造纸厂的废纸浆中分离出一株具有较强的产纤维素酶能力的革兰氏阴性菌株JX-2。该菌株初步鉴定为食纤维菌,其最适生长pH为9.0～11.0,最适生长温度为37℃,好氧。在较佳条件下采用JX-2菌株发酵生产纤维素酶,滤纸酶活力(FPA)可达到1158.6 U·ml-1,这一结果已显示了良好的生产潜力和应用前景。 (3)耐高温高转化率乙醇酵母菌株的选育研究。经过一系列的筛选步骤,从酒精厂的酒糟中筛选得到两株耐高温的优良酵母菌株,分别是P1,5min,P2,10min。P1,5min,菌株能在52℃高温下,或酒精度为16 % (v/v)YPD固体培养基上生长,且其在52℃下发酵产酒精度为2.96 %(v/v);P2,10min菌株与P1,5min菌株类似,也能在52℃高温下,或酒精度为16 % (v/v)YPD固体培养基上生长,其在52℃下发酵产酒精度为2.86%(v/v)。 (4)同步糖化发酵(SSF)过程的研究。研究发酵温度、起始pH值、酶加量、酵母接种量和发酵时间五个条件对发酵过程的影响,找出每个条件的最适值。根据单因素的研究结果,选取发酵温度、起始pH值、酶加量、酵母接种量四因素进行正交优化。最终确定的最优发酵条件是发酵温度36℃、起始pH值6.0、接种量7%,酶加量22ml(30U/ml的纤维素酶液)。 (5)基于响应面法同步糖化发酵的优化。在同步糖化发酵研究的基础上,利用响应面法研究温度、接种量和酶的添加量等三个主要影响因子在同步糖化发酵(SSF)过程中对乙醇的产量的影响,通过实验及模型拟合,建立了同步糖化发酵条件对乙醇产量的一阶模型。y = 21.782 + 0.804x 1 + 0.124x 2 + 0.526x3 利用最速上升法接近最优点,即发酵温度38℃,酶加量16.386u/g,接种量为3.962%,此时乙醇产量接近最大。同理,建立了同步糖化发酵条件对乙醇产量影响的二阶模型: 对二阶模型进行方差分析,确定了能够真实反应三个变量对响应的影响。且在二阶模型中有交互项,得到最优工作点,即温度为39.16℃,酶的添加量为15.74u,接种量为4.16%,并对最优点进行了正则分析和实验验证,确定了该点既不是最小点又不是鞍点,而是最佳发酵工艺条件。 该论文有图37幅,表30个,参考文献122篇。 【关键词】：稻草秸秆 燃料乙醇 同步糖化发酵 预处理 优化
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 图清单18-21
• 表清单21-23
• 1 文献综述23-37
• 1.1 稻草秸秆制备燃料乙醇的研究意义23-24
• 1.2 稻草秸秆的资源情况24-25
• 1.3 纤维素制备燃料乙醇的研究生产状况25-26
• 1.4 纤维素燃料乙醇的预处理工艺的研究进展26-31
• 1.5 纤维素燃料乙醇糖化工艺的研究进展31-32
• 1.6 纤维素燃料乙醇的发酵工艺的研究进展32-33
• 1.7 耐高温高转化率酵母菌株选育的研究进展33-34
• 1.8 本研究的主要内容及技术路线34-37
• 2 稻草秸秆预处理条件研究37-52
• 2.1 引言37
• 2.2 材料与方法37-41
• 2.3 结果与讨论41-50
• 2.4 本章小结50-52
• 3 高产纤维素酶生产菌的选育研究52-57
• 3.1 引言52
• 3.2 材料与方法52-53
• 3.3 结果与讨论53-56
• 3.4 本章小结56-57
• 4 JX-2 菌株产纤维素酶发酵特性的研究57-66
• 4.1 引言57
• 4.2 材料与方法57-58
• 4.3 结果与讨论58-65
• 4.4 本章小结65-66
• 5 耐高温及高转化率乙醇酵母菌株的选育研究66-76
• 5.1 引言66
• 5.2 材料与方法66-69
• 5.3 结果与分析69-75
• 5.4 本章小结75-76
• 6 稻草粉同步糖化发酵产乙醇条件研究76-86
• 6.1 引言76
• 6.2 材料与方法76-78
• 6.3 结果与讨论78-84
• 6.4 本章小结84-86
• 7 基于响应面法同步糖化发酵的优化86-103
• 7.1 引言86
• 7.2 实验方法86-92
• 7.3 结果与分析92-102
• 7.4 本章小结102-103
• 8 结论与展望103-105
• 8.1 结论103-104
• 8.2 创新点104
• 8.3 展望104-105
• 参考文献105-113
• 作者简历113-115
• 学位论文数据集115

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