玉米秸秆发酵生产燃料乙醇的试验研究

【摘要】： 本文对玉米秸秆发酵生产燃料乙醇进行了系统地研究。通过试验确定了玉米秸秆预处理最适条件,并在自主设计组装的15L微型糖化罐中进行了纤维素酶和木聚糖糖酶的酶解糖化的最适条件的研究。在对糖化液成分分析及预处理后的玉米秸秆进行了扫瞄电镜的表面结构的微观分析基础上,进行了玉米秸秆糖化液的发酵前预处理和秸秆糖化液的发酵条件,以及构建双菌株发酵体系进行了研究。最后利用BOX-WILSON的中心组合设计对发酵条件进行了优化试验,并在此基础上研究并建立了嗜鞣管囊酵母的发酵动力学模型。 本文的主要结论: 1)玉米秸秆稀酸预处理的最适工艺条件:用60～80目的玉米秸秆粉,经0.5%的稀盐酸浸润,初始液固比为6,在125℃条件下处理60min后,玉米秸秆的结构组织明显被破坏,且初始水解糖化率达到21.5‰ 2)酶解糖化的最佳工艺条件:将预处理过的玉米秸秆,加入pH4.8磷酸缓冲液并调整液固比至10,添加0.04g%Mg~(2+)糖化辅助因子,3%纤维素酶和3%木聚糖酶,在48℃的糖化罐中酶解糖化46h。反应结束后玉米秸秆总糖化率达到55.6%。 3)将玉米秸秆糖化水解液加入4%(相对于秸秆质量)的活性炭后煮沸6-8min,掠去上面的泛青色的泡沫状物质,经定性滤纸过滤后,调整pH值到5.0±0.1,然后分装于300ml的三角瓶中各100ml,121℃灭菌15min后,冷却至室温,再分别接5%的酒精酵母和25%的嗜鞣管囊酵母P-01,在28℃、120rpm条件下发酵68-70h后,乙醇浓度到达1.4%。 4)通过BOX-WILSON的中心组合设计确定了秸秆糖化液的最适发酵工艺条件:目前得到最佳发酵培养基:尿素0.1%,吐温80 0.75%,磷酸氢二铵0.05%,PEG 0.05%,在此条件下发酵终止时乙醇浓度到达1.5%。在此基础上进行了发酵过程理论探讨,分别建立了酵母生长、乙醇生成和还原糖消耗数学动力学模型。 【关键词】：玉米秸秆 预处理 糖化 发酵 动力学
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-10
• 第一章 绪言10-23
• 1 木质纤维素生产燃料乙醇的必要性及意义10-13
• 2 木质纤维素生产燃料乙醇的研究进展13-15
• 2.1 国外纤维燃料乙醇研究与应用现状13-14
• 2.2 国内纤维燃料乙醇研究与应用现状14-15
• 3 木质纤维素水解制取燃料乙醇概述15-21
• 3.1 木质纤维素水解原料及其性质15-16
• 3.2 木质纤维素预处理16-17
• 3.3 木质纤维素水解糖化17-19
• 3.4 木质纤维素糖化液发酵19-21
• 3.4.1 木质纤维素糖化液发酵工艺19-20
• 3.4.2 木质纤维素糖化液中发酵抑制物20-21
• 4 本文研究内容的提出及意义21-23
• 4.1 目前存在的关键问题及拟解决方案21-22
• 4.2 玉米秸秆生产纤维乙醇的技术路线22-23
• 第二章 玉米秸秆稀酸预处理试验23-28
• 1 材料与方法23-24
• 1.1 试验材料23
• 1.2 主要试剂23
• 1.3 主要仪器23-24
• 1.4 预处理方法24
• 1.5 分析方法24
• 1.5.1 还原糖总含量的测定24
• 1.5.2 木糖含量的测定24
• 1.5.3 葡萄糖含量的测定24
• 1.5.4 扫描电镜分析24
• 3 结果与分析24-27
• 3.1 稀硫酸对秸秆预处理效果的影响24-25
• 3.2 稀盐酸对秸秆预处理效果的影响25
• 3.3 处理时间对秸秆预处理效果的影响25-26
• 3.4 温度对秸秆预处理效果的影响26
• 3.5 液固比对秸秆预处理效果的影响26-27
• 3.6 预处理后玉米秸秆表面结构观察及分析27
• 4 小结27-28
• 第三章 玉米秸秆酶解糖化条件的研究28-34
• 1 材料与方法28-29
• 1.1 实验材料28
• 1.2 酶制剂28
• 1.3 试验仪器28
• 1.4 实验方法28
• 1.5 分析方法28-29
• 1.5.1 还原糖总含量的测定28
• 1.5.2 木糖含量的测定28-29
• 2 玉米秸秆糖化试验装置29-30
• 2.1 微型糖化罐设计与组装29-30
• 2.2 微型糖化罐主要参数30
• 3 结果与分析30-33
• 3.1 温度对酶解糖化的影响30
• 3.2 酸碱度对酶解糖化率的影响30
• 3.3 酶用量对酶解糖化的影响30-31
• 3.4 金属离子对酶解糖化的影响31-32
• 3.5 缓冲液对酶解糖化率的影响32
• 3.6 酶解糖化后水解液的成分分析32-33
• 4 小结33-34
• 第四章 玉米秸秆糖化液发酵生产乙醇试验研究34-42
• 1 材料与方法34-35
• 1.1 实验材料34
• 1.2 菌种培养基34
• 1.3 发酵培养基34-35
• 1.4 主要试剂35
• 1.5 主要仪器35
• 1.6 发酵试验35
• 1.7 分析方法35
• 1.7.1 还原糖测定35
• 1.7.2 菌体浓度的测定35
• 1.7.3 乙醇浓度测定35
• 1.7.4 乙醇产率的计算35
• 2 基于秸秆糖化液预处理的发酵试验结果与分析35-39
• 2.1 抑制物的作用机理分析35-37
• 2.2 热处理对秸秆糖化液发酵试验的影响37
• 2.3 化学吸附处理对秸秆糖化液发酵试验的影响37
• 2.4 物理吸附对秸秆糖化液发酵试验的影响37-38
• 2.5 复合处理对秸秆糖化液发酵试验的影响38
• 2.6 增大接种量对秸秆糖化液发酵试验的影响38-39
• 3 玉米秸秆糖化液发酵制取乙醇试验研究39-41
• 3.1 发酵时间对秸秆糖化液发酵试验的影响39
• 3.2 单独培养共发酵对乙醇产率的影响39-40
• 3.3 混合培养共发酵对乙醇产率的影响40-41
• 3.4 批次接种共发酵对乙醇产率的影响41
• 4 本章小结41-42
• 第五章 玉米秸秆糖化液发酵优化及动力学分析42-48
• 1 材料与方法42-43
• 1.1 菌株和培养基42
• 1.2 试剂42-43
• 1.3 仪器43
• 1.4.发酵培养基优化43
• 1.5 发酵过程动力学研究43
• 1.5.1 还原糖测定43
• 1.5.2 生物量测定43
• 1.5.3 乙醇测定43
• 1.5.4 数学模型确定43
• 2 结果与分析43-47
• 2.1 响应面实验结果及分析43-44
• 2.2 嗜鞣管囊酵母的发酵过程的模型建立44-47
• 2.2.1 酵母细胞生长动力学模型的构建45
• 2.2.2 乙醇生成动力学模型的构建45-46
• 2.2.3 还原糖消耗动力学模型的构建46-47
• 3 本章小结47-48
• 第六章 结论与讨论48-51
• 6.1 主要结论48
• 6.1.1 玉米秸秆预处理的最适工艺条件48
• 6.1.2 玉米秸秆酶解糖化反应的最佳工艺条件48
• 6.1.3 玉米秸秆水解液发酵条件的工艺条件48
• 6.1.4 玉米秸秆水解液发酵优化培养基及发酵动力学方程48
• 6.2 讨论与建议48-51
• 6.2.1 关于木质纤维素预处理的研究49
• 6.2.2 关于糖化液的浓缩和高浓度乙醇蒸馏的研究49-50
• 6.2.3 关于玉米秸秆纤维素生产燃料乙醇的中试研究50-51
• 参考文献51-55
• 英文摘要55-56

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