玉米秸秆纤维乙醇联产转化过程及机理研究

【摘要】：以秸秆为原料生产车用燃料乙醇,不但可缓解秸秆直接焚烧带来的大气污染问题,还可降低汽车尾气排放,改善我国能源消费结构。通过深入研究预处理方法对秸秆转化乙醇过程及机理的影响,优化纤维乙醇转化工艺。同时将残余废液和废渣进行资源化利用,可显著提高能量和原料利用率,为纤维乙醇产业化应用提供理论指导和技术借鉴。本研究针对玉米秸秆原料,主要比较了不同稀酸(包括乙酸、硫酸和磷酸)浸渍蒸汽预处理(即蒸汽爆破预处理)对物料得率、糖组分回收率及同步糖化发酵乙醇得率的影响,研究了高固形物浓度发酵和戊糖己糖共发酵技术,并对两条纤维乙醇转化工艺流程产物得率、能量回收率进行了分析,最后还对醇电联产过程进行了技术经济分析。主要得到如下结论：1.蒸汽预处理使秸秆中的半纤维素含量显著降低,受温度及酸浓度的影响比较明显。通过探究发酵抑制物的形成途径和比较预处理过程中发酵抑制物浓度时发现,随着预处理强度的不断增强,预处理液中发酵抑制物浓度不断提高。其中浓度最高的是乙酸,最高可达到8-9 g/L。除了乙酸,还有部分糠醛和5-羟甲基糠醛。磷酸浸渍蒸汽预处理过程中产生了较多的糠醛,但乙酸产量相对较少。2.在考察糖组分得率时发现,葡萄糖主要由酶解转化得到,木糖大部分在预处理阶段得到。磷酸预浸渍后蒸汽预处理玉米秸秆具有最高的葡萄糖总得率,最高达到92%,但木糖得率较低；0.2%硫酸和1.0%乙酸浸渍样品葡萄糖得率可达80%左右,同时木糖得率也超过70%的；其中0.2%硫酸浸渍蒸汽预处理洗涤后样品,木糖最高得率超过了90%。3.通过比较洗涤与未洗涤蒸汽预处理物料的同步糖化发酵效果发现,洗涤后样品乙醇得率高于未洗涤样品,且发酵产乙醇速率更快。在相同蒸汽预处理条件下(200℃保温10 min),硫酸浸渍洗涤后样品具有最高理论转化率,达到80.8%；磷酸预浸渍蒸汽预处理未洗涤样品可获得28.4 g/L的最终乙醇浓度,是各样品中发酵液乙醇浓度最高的。4.通过对纤维乙醇转化过程中副产物比较分析发现,未洗涤样品的发酵液中乙酸和乳酸浓度远高于洗涤样品。发酵副产物乙酸的浓度与发酵过程pH密切相关,发酵液中乳酸浓度一般都低于乙酸浓度。硫酸浸渍未洗样品在pH 5.0发酵24 h得到7.7g/L乙酸和2.6 g/L的乳酸,为各样品最高。5.高固形物浓度发酵可以提高最终发酵液中的乙醇浓度,但乙醇得率会有所降低。20%固形物浓度可获得49.9 g/L的乙醇浓度,乙醇得率为理论值得68.6%,而12.5%的底物浓度发酵时乙醇得率可达82.7%。利用可降解戊糖菌株KE6-12(由菌株S.cerevisiae TMB3400诱变和驯化得到),以蒸汽预处理后未洗涤玉米秸秆为原料,在pH 5.5,30℃条件下,通过补料添加策略,发酵144h后发酵液中乙醇浓度为27.6g/L,为理论转化率的78%,有效提高了菌株对戊糖的利用效率和乙醇生产效率。6.对两条纤维乙醇转化工艺流程产品得率、能量回收率进行比较,工艺流程1中将预处理后样品进行洗涤,固体部分用于同步糖化发酵,液体部分与发酵蒸馏后残液分别进行厌氧发酵；工艺流程2将预处理样品直接进行同步糖化发酵,发酵液蒸馏后残液单独厌氧发酵。结果发现,工艺流程1无论在沼气产量还是在产物总能量回收率方面都要高于工艺流程2。乙酸浸渍样品工在艺流程1中得到最高的沼气产量,达11.6 g/100g-秸秆,并得到了最高的88%的能量回收率。通过Aspen Plus建模对秸秆醇电联产工艺进行经济技术分析,年产3万吨乙醇的工厂配套30MW的生物质发电厂以工艺流程1进行生产时,乙醇的生产成本最低,达到4.9元／升,同时可以带来显著的社会和环境效益。论文中首次报道了纤维乙醇转化同沼气发酵、木质素燃烧发电有机结合,实现分级转化综合利用的工艺技术路线,并对转化过程进行技术经济分析；在同步糖化发酵基础上开发了六碳糖和五碳糖共发酵菌株、高底物浓度发酵及分批补料发酵工艺等。 【关键词】：纤维乙醇 乙酸浸渍 蒸汽爆破 同步糖化发酵 乙醇联产
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1. 绪论11-23
• 1.1. 引言11
• 1.2. 生物质产业发展背景及意义11-12
• 1.3. 木质纤维素原料组分及秸秆资源12-14
• 1.3.1. 木质纤维素原料组成12-13
• 1.3.2. 玉米秸秆资源13-14
• 1.4. 纤维乙醇14-18
• 1.4.1. 纤维乙醇生产工艺14
• 1.4.2. 预处理关键技术14-16
• 1.4.3. 纤维素酶解16-17
• 1.4.4. 纤维乙醇发酵工艺17-18
• 1.4.5. 乙醇蒸馏18
• 1.5. 纤维乙醇生产过程中废液废渣的资源化18-20
• 1.5.1. 厌氧发酵生产沼气19
• 1.5.2. 发酵残渣分离及利用19-20
• 1.6. 研究的意义及研究内容20-23
• 1.6.1. 研究的目的及意义20
• 1.6.2. 主要研究内容20-23
• 2. 玉米秸秆稀酸蒸汽爆破预处理及酶解研究23-69
• 2.1. 引言23
• 2.2. 试验材料与方法23-26
• 2.2.1. 试验原料23-24
• 2.2.2. 试验设备与试剂24
• 2.2.3. 秸秆蒸汽预处理24-25
• 2.2.4. 预处理液体组分分析25
• 2.2.5. 预处理物料酶解25-26
• 2.3. 结果与讨论26-66
• 2.3.1. 预处理对秸秆组分含量影响26-33
• 2.3.2. 蒸汽预处理液中糖组分回收率33-39
• 2.3.3. 预处理过程发酵抑制物产生机理及分析39-49
• 2.3.4. 预处理对酶解过程葡萄糖得率影响49-58
• 2.3.5. 预处理对酶解过程木糖得率影响58-66
• 2.4. 小结66-69
• 3. 稀酸预浸蒸汽预处理秸秆同步糖化发酵转化乙醇69-101
• 3.1. 引言69
• 3.2. 试验材料与方法69-70
• 3.2.1. 试验材料与仪器69
• 3.2.2. 试验试剂69
• 3.2.3. 试验方法69-70
• 3.2.4. 检测方法70
• 3.3. 结果与讨论70-99
• 3.3.1. 水浸渍蒸汽预处理对玉米秸秆同步糖化发酵影响70-72
• 3.3.2. 乙酸浸渍蒸汽预处理对玉米秸秆同步糖化发酵影响72-74
• 3.3.3. 硫酸浸渍蒸汽预处理对玉米秸秆同步糖化发酵影响74-76
• 3.3.4. 磷酸浸渍蒸汽预处理对玉米秸秆同步糖化发酵影响76-81
• 3.3.5. 不同试剂预浸渍蒸汽预处理玉米秸秆发酵产乙醇结果对比81-82
• 3.3.6. 纤维乙醇转化过程副产物产生机理与分析82-88
• 3.3.7. 高固形物浓度同步糖化发酵生产乙醇88-99
• 3.4. 小结99-101
• 4. 预处理玉米秸秆同步糖化共发酵转化乙醇101-115
• 4.1. 引言101
• 4.2. 试验材料与方法101-102
• 4.2.1. 试验原料101
• 4.2.2. 发酵菌株KE6-12培养101-102
• 4.2.3. 同步糖化发酵102
• 4.2.4. 分批补料发酵工艺102
• 4.3. 结果与讨论102-113
• 4.3.1. 洗涤对菌株KE6-12发酵效果的影响102-105
• 4.3.2. pH对菌株同步糖化发酵的影响105-107
• 4.3.3. 补料策略对菌株KE6-12发酵的影响107-111
• 4.3.4. 温度对菌株KE6-12发酵效果影响111-113
• 4.4. 小论113-115
• 5. 发酵废液厌氧转化沼气及产品回收率比较115-129
• 5.1. 引言115
• 5.2. 试验材料与方法115-117
• 5.2.1. 厌氧发酵底物115-116
• 5.2.2. 厌氧发酵试验过程116-117
• 5.2.3. 分析检测117
• 5.3. 结果与讨论117-126
• 5.3.1. 厌氧发酵与沼气产率117-121
• 5.3.2. 发酵残渣组分及得率分析121-124
• 5.3.3. 秸秆纤维乙醇转化过程最终产品产率及能量回收率124-126
• 5.4. 小结126-129
• 6. 玉米秸秆醇电联产过程模拟与技术经济分析129-141
• 6.1. 引言129
• 6.2. 过程模拟分析基础与方法129-133
• 6.2.1. 醇电联产工艺流程130-131
• 6.2.2. 建模方法131-133
• 6.3. 结果与讨论133-138
• 6.3.1 不同案例乙醇生产成本及秸秆需求量对比133-135
• 6.3.2 不同案例蒸汽和水消耗量对比135-136
• 6.3.3 不同案例收益与成本对比136-138
• 6.4. 小结138-141
• 7. 结论与创新点141-145
• 7.1. 结论141-142
• 7.2. 创新点142
• 7.3. 下一步工作建议142-145
• 参考文献145-153
• 个人简介153-155
• 导师简介155-157
• 成果目录157-159
• 致谢159

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