利用植物纤维原料产燃料乙醇的应用基础研究
利用木质纤维原料生产燃料乙醇，对于解决当前人类面临的能源短缺和环境污染等一系列棘手问题具有重要意义。该工艺目前尚不成熟，存在的主要问题是:纤维素酶生产水平低，纤维素水解过程中酶的用量大、成本过高;纤维原料对乙醇的转化率较低，尤其是半纤维素难以利用。 本论文针对利用木质纤维原料生产燃料乙醇的关键技术进行研究，在纤维素酶生产方面，利用转糖苷反应，以葡萄糖为原料制备纤维素酶的可溶性诱导物，在50℃，pH4.0，葡萄糖浓度400g/L条件下，反应5d后槐糖浓度可达到51.40g/L。槐糖是纤维素酶的高效诱导物，价格昂贵。本研究成果对于提高纤维素酶的生产效率、降低生产成本具有重要意义。 在50L发酵罐中进行液体深层发酵产纤维素酶试验，采用转苷反应所制备的复合糖及微晶纤维素进行流加培养，通过pH值控制流加速度:当pH值达到或大于4.8，启动流加;当pH值达到或小于4.5，停止流加。流加培养264 h，发酵液中纤维素酶(FPA)活力达到94.12 IU/mL。研究结果表明:依靠pH值调控的流加发酵工艺可以使菌种处于生长微弱但不死亡的状态，有利于纤维素酶活力的持续上升。 玉米芯经稀酸预处理后，其木质纤维素残渣在纤维素酶的作用下水解。利用一株酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae HTR-11，在38℃下，对含有葡萄糖质量浓度为52.60 g/L的纤维素水解液进行乙醇发酵。18h乙醇质量浓度达25.14 g/L，对葡萄糖的乙醇得率为0.48 g/g，达到理论值的94.12％。 以玉米芯纤维素残渣为原料进行同步糖化发酵(SSF)试验，初始底物浓度100 g/L，每克底物的纤维素酶用量20 FPIU(滤纸酶活力国际单位)，38℃，pH4.8，酵母接种量10％，72h乙醇浓度达到17.61 g/L。补加黑曲霉纤维二糖酶10 CBIU/g底物，能够有效减少纤维二糖的累积，消除了纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制，使乙醇浓度提高到30.27 g/L，对纤维素的乙醇得率达到了0.51 g/g。为提高乙醇终浓度，选取初始底物60 g/L，24 h内补料至120g/L的分批补料策略，乙醇浓度在90 h达到36.82 g/L，对纤维素的乙醇得率达到0.52 g/g。 利用半纤维素水解液发酵生产乙醇，对半纤维素水解液中的发酵抑制物及脱毒技术进行了研究。SO42-，乙酸和糠醛对重组酵母S.cerevisiae ZU-10生长的最低抑制浓度分别为:4.5 g/L、0.25 g/L、0.08 g/L。纤维原料稀酸预处理的温度对发酵抑制物的形成有重要影响。纤维原料经过95℃下稀酸(1％ H2SO4)水解12h，并通过石灰中和、真空浓缩和离子树脂交换脱毒处理，得到的半纤维素的水解液中乙酸质量浓度为0.080 g/L，无糠醛检出。采用还原糖浓度为80 g/L的半纤维素水解液，在初始pH值5.5的条件下厌氧发酵96 h，乙醇浓度可达31.05 g/L，对葡萄糖和木糖的乙醇得率为0.40 g/g。木糖发酵是植物纤维原料发酵乙醇的技术难点，本研究成果对于促进燃料乙醇的产业化进程具有重要意义。 为实现纤维素和半纤维素的综合利用，对玉米秸秆的稀碱预处理技术进行了研究。在NaOH用量为0.15 g/g底物，85℃条件下预处理1h，木质素可脱除75.40％，半纤维素脱除32.97％，纤维残渣易于被酶解糖化。协同酶解试验结果表明:当每克底物的纤维素酶用量为25.75 FPIU，木聚糖酶369.63 U，纤维二糖酶8.20 IU，酶解得率可达到89.24％，玉米秸秆水解液中，葡萄糖占总还原糖的65.63％，木糖占总还原糖的20.97％。 利用基因重组酵母S.cerevisiae ZU-10发酵玉米秸秆水解液，其中76.51 g/L葡萄糖和36.64 g/L木糖在72 h内可生成47.10 g/L乙醇，乙醇得率为0.42 g/g，实现了已糖、戊糖的共利用。 利用固定化基因重组酵母发酵玉米秸秆水解液，重复进行6批发酵试验，平均乙醇浓度为40.43 g/L，葡萄糖能够被彻底利用，木糖的利用率均在90％以上。同游离细胞发酵相比，固定化细胞缩短了发酵周期，提高了生产效率，具有良好的应用前景。
乙醇;木质纤维原料;纤维素酶;发酵工艺
浙江大学
博士
生物化工
夏黎明
2010
中文
TQ923
110
2016-03-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）