农业废弃物生物转化制取燃料乙醇的基础研究

摘要

化石燃料储量的逐渐减少和能源需求的不断增长，以及化石燃料燃烧造成的温室效应和环境污染问题，使21世纪的能源供应和地球环境面临着巨大挑战。因此，开发新的可再生清洁能源迫在眉睫。以纤维素类农业废弃物为原料的第二代燃料乙醇作为一种生物燃料具有环保性、可再生、资源丰富等优点已成为一种重要的替代能源，是未来能源发展的一个新方向。本文以两种典型的农业废弃物:稻秆和玉米芯为原料，对预处理、酶解糖化、同步糖化发酵(SSF)及纤维素分解菌的筛选技术进行了比较系统的研究。
　　 超声波强化预处理的实验结果表明:就成分变化、结晶度变化、酶解得到的还原糖总量而言，超声波强化预处理更适合处理玉米芯这种半纤维素和木质素含量均较高的原料。对玉米芯进行超声波强化碱性过氧化氢预处理后，木质素含量降至1％以下，且结晶度也降为38％左右。当氢氧化钠和过氧化氢加入的间隔时间为10min时，玉米芯的酶解得率可达89％。因此，超声波强化碱性过氧化氢预处理不失为一种颇具前景的纤维素类原料预处理方法。
　　 利用超声波强化碱性过氧化氢预处理后的玉米芯进行SSF法乙醇生产，结果表明:当未添加β-葡萄糖苷酶时，SSF工艺的最佳条件为:纤维素酶用量20U/(g原料)，发酵时间96h，酵母菌接种量2mg/mL，此时乙醇产率约为64.46％。而当添加β-葡萄糖苷酶且其用量为15U/（g原料）时，乙醇产率可上升至71.57％。
　　 结合纤维素酶解的动力学方程和经典发酵动力学中的菌体生长、产物生成和还原糖消耗模型，推导出了SSF工艺中还原糖变化的动力学方程。并利用非线性动态变化惯性权重的自适应PSO算法对玉米芯SSF工艺中的菌体生长、产物生成以及还原糖消耗模型进行参数辨识，并对这些模型进行拟合。结果表明模型的拟合值与实验数据比较接近。
　　 最后从土壤中分离获得纤维素分解菌F-3，根据形态学特征初步鉴定为木霉属中的康氏木霉菌种，并对其生长特性和产酶特性进行研究。结果表明:该菌株在12-36h时处于对数增长期，其最佳产酶条件为:培养基中麸皮/纤维素粉为0.6，培养基初始pH值为3，培养时间为48h，且此时纤维素酶活可达170.463U/g。

目录

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 纤维素类农业废弃物生产燃料乙醇的意义

1．2 纤维素燃料乙醇的国内外发展现状

1．3 纤维素类原料的结构与性质

1．4 纤维素类原料制取燃料乙醇的工艺

1．4．1 纤维素类原料的预处理

1．4．2 纤维素类原料的水解

1．4．3 纤维素类原料的乙醇发酵

1．5 粒子群优化算法(PSO)

1．6 主要研究内容

第二章 稻秆和玉米芯的预处理实验

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 主要试剂

2．2．3 主要实验仪器和设备

2．2．4 超声波强化酸-碱预处理

2．2．5 超声波强化碱性过氧化氢预处理

2．2．6 样品的酶水解

2．2．7 分析测定方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 超声波强化酸-碱预处理

2．3．2 超声波强化碱性过氧化氢预处理

2．4 本章小结

第三章 玉米芯同步糖化发酵产乙醇的工艺研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 主要试剂的配制

3．2．3 主要实验仪器和设备

3．2．4 发酵菌种

3．2．5 培养基

3．2．6 干酵母复水活化

3．2．7 酵母菌扩大培养

3．2．8 酵母菌斜面制作

3．2．9 酵母菌的性能测试

3．2．10 同步糖化发酵(SSF)

3．2．11 分析测定

3．3 结果与讨论

3．3．1 酵母菌生长曲线的测定

3．3．2 酵母菌活化方式对同步糖化发酵的影响

3．3．3 纤维素酶用量对同步糖化发酵的影响

3．3．4 酵母菌接种量对同步糖化发酵的影响

3．3．5 发酵时间对同步糖化发酵的影响

3．3．6 β-葡萄糖苷酶对同步糖化发酵的影响

3．3．7 添加β-葡萄糖苷酶时发酵时间对同步糖化发酵的影响

3．4 本章小结

第四章 玉米芯同步糖化发酵过程的动力学方程和非线性动态变化惯性权重的PSO算法的参数辨识

4．1 引言

4．2 自适应PSO算法

4．2．1 PSO算法的步骤

4．2．2 自适应惯性权重的PSO算法

4．3 SSF过程的动力学模型

4．3．1 菌体生长动力学模型

4．3．2 产物生成动力学模型

4．3．3 还原糖变化动力学模型

4．4 基于线性和非线性动态变化惯性权重的PSO参数辨识

4．5 基于非线性动态变化惯性权重的PSO对SSF过程的参数辨识

4．5．1 菌体生长模型的参数辨识

4．5．2 产物生成模型的参数辨识

4．5．3 还原糖消耗模型的参数辨识

4．6 本章小结

第五章 纤维素分解菌的筛选和产酶性能研究

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 土壤样品采集

5．2．2 培养基

5．2．3 主要试剂

5．2．4 主要实验仪器和设备

5．2．5 纤维素分解菌的筛选

5．2．6 纤维素分解菌的性能测定

5．3 结果与讨论

5．3．1 F-3菌株的分离和初步鉴定

5．3．2 F-3菌株的性能测定

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 预处理实验

6．1．2 玉米芯同步糖化发酵产乙醇的工艺研究

6．1．3 利用非线性惯性权重PSO对玉米芯同步糖化发酵过程的参数辨识

6．1．4 纤维素分解菌的筛选和产酶性能研究

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果