稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究

摘要

纤维素生物质作为一种来源广泛、价格低廉的可再生资源，如果被用来生产液体燃料-乙醇，不仅可以减少化石能源的消耗而且可减少汽车尾气中的有害成分，且大量用秸杆生产燃料乙醇可以避免其在农田中大量直接焚烧，这都将大大减少引发全球气候变化的温室气体的排放。本论文主要研究了稻草秸秆的化学、离子液体和羟氧自由基预处理技术，同时对稻草秸秆高浓度底物的同步糖化发酵以及半纤维素水解液的制备和发酵等方面也进行了较为全面的研究。本课题在能源问题和环境问题上均有一定的理论和现实意义。
　　 用稀酸、石灰和氢氧化钠等化学物质对稻草秸秆进行了处理，2％NaOH预处理效果最好，121℃处理1h木质素去除率达到88.9％，同时有38.7％的半纤维素被脱除，处理后的残渣酶解60小时水解率高达96.1％，分离后的碱液可以重复利用2-3次，进而降低预处理的成本。
　　 对氢氧化钠处理的秸秆残渣进行了酶法水解，就其酶解动力学和机制以及酶解条件进行优化。结果表明底物的酶解得率与木质素的去除率有关，纤维素酶系的组成对酶解具有重要的影响，酶系中因纤维二糖酶的不足会造成纤维二糖对整个酶解的反馈抑制，可通过补加纤维二糖酶解除这种抑制；获得的最佳酶解条件为底物浓度80g/L，纤维素酶加入量20FPU/g底物，纤维二糖酶12CBIU，此时，48h酶解得率为86.7％。在此最优的条件下，进行3L反应器实验48h酶解得率89.3％。
　　 以糖得率并结合红外分析稻草秸秆处理前后结晶指数的变化，筛选得到离子液体[EMIM]OAc，其对稻草秸秆具有较好的溶解特性。对处理秸秆（重生的纤维材料）的性能研究表明，重生的纤维材料由于结晶纤维素向无定型纤维素的转化，更易与酶形成酶与底物复合物，这种酶与底物复合物因酶与纤维素结合更为紧密而起到保护酶的作用，使纤维素酶能耐更高的温度，并在这样的温度下水解纤维素提高酶水解糖得率；通过考察[EMIM][OAc]浓度对纤维素酶的影响，发现[EMIM][OAc]对纤维素酶具有较大的毒性，[EMIM][OAc]达到3M时，酶解液中基本上没有糖。同时，实验结果说明稻草秸秆的水解与木质素的去除和纤维素结晶度在一定范围内存在一定程度的对应关系，且木质素去除率与纤维素的结晶度呈拟合的线性关系。FTIR、XRD和SEM对[EMIM][OAc]处理秸秆的结构形态分析表明，稻草秸秆经[EMIM][OAc]处理后有部分纤维素转变为纤维素Ⅱ或无定型纤维素。
　　 稻草秸秆用羟氧自由基处理，在Ox-B浓度、处理温度和液固比等单因素实验的基础上，基于Box-Benhnken中心组合实验设计原理，利用Design-Expert7.0.0软件进行实验方案设计和数据拟合，得到羟氧自由基处理的最优条件为：Ox-B浓度为21g/L处理温度为57.2℃，液固比为40:1时。模型验证实验还原糖得率为94.5％，与预测值接近，表明实验结果与模型预测结果没有显著性差异。羟氧自由基处理稻草秸秆的效果明显，但是处理的稻草秸秆重量损失比较大。
　　 对稻草秸秆用稀酸稀碱结合处理，获得纤维素含量为88.5％，木质素含量只有4.5％的纤维素含量丰富的底物，用耐高温活性干酵母40℃同步糖化发酵浓度160g/L的底物，发酵液中乙醇浓度达到58.7g/L，超过了蒸馏对于纤维素酒精发酵液含量不得低于50g/L的要求，降低了纤维素酒精蒸馏阶段的能耗；物料平衡衡算的结果是：0.175kg乙醇/kg稻草秸秆（干重）即1kg稻草秸秆（干重）通过稀酸稀碱处理后，残渣同步糖化发酵得到0.125kg乙醇，结合半纤维素水解液的发酵所获得的0.05kg，总共得到0.175kg乙醇/kg稻草秸秆（干重）。
　　 休哈达假丝酵母(Candida shehatae1766)木糖发酵的基础研究表明：该酵母在混合糖发酵时会优先利用葡糖糖；在纯木糖和混合糖相同糖浓度对比发酵中，两者乙醇产量和糖利用率没有太大区别，发酵72h乙醇浓度都为16g/L左右。休哈达假丝酵母(Candidashehatae1766)半纤维素酸解液发酵结果表明，该菌株在较低的pH下具有较好发酵性能；对没有经过脱毒处理的半纤维素水解液也具有较好的发酵性能，发酵72h乙醇浓度达到13.7g/L。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 燃料乙醇的研究意义

1.3 国内外燃料乙醇产业发展现状

1.4 纤维素生物质生产乙醇的优势

1.5 纤维素生物质制备乙醇的研究

1.5.1 纤维素生物质

1.5.2 纤维素生物质的预处理

1.5.3 新型绿色溶剂离子液体

1.5.4 纤维素酶的研究概况

1.5.5 纤维素生物质的乙醇发酵

1.5.6 乙醇的脱水回收

1.6 本论文的研究内容

第二章 稻草秸秆的化学处理

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 材料与试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 预处理

2.2.4 酶水解

2.2.5 分析方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 稀酸预处理

2.3.2 石灰预处理

2.2.3 氢氧化钠预处理

2.3.4 氢氧化钠和过氧乙酸预处理

2.3.5 四种预处理工艺的比较

2.3.6 稻草秸秆的酶法糖化

2.3.7 批式酶解3L反应器实验

2.4 本章小结

第三章 稻草秸秆的离子液体处理

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.2.1 材料与试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 离子液体的筛选

3.3.2 离子液体处理稻草秸秆的条件

3.3.3 离子液体的回收利用

3.3.4 稻草秸秆离子液体处理后的性能研究

3.3.5 影响稻草秸秆酶解的因素

3.3.6 稻草秸秆处理前后结构形貌分析

3.4 本章小结

第四章 稻草秸秆的羟氧自由基处理

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 材料与试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 Ox-B处理单因素分析

4.3.2 响应面优化Ox-B处理条件

4.3.3 模型验证实验

4.4 本章小结

第五章 稻草秸秆高底物浓度同步糖化发酵

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.2.1 材料与试剂

5.2.2 实验仪器

5.2.3 预处理

5.2.3 发酵培养基

5.2.5 纤维物料成分、酶活力、还原糖、单糖和乙醇测定

5.2.6 酶水解

5.2.7 同步糖化发酵

5.2.8 扫描电镜观察秸秆纤维的形态

5.3 结果与讨论

5.3.1 稻草秸秆处理前后组成的变化

5.3.2 稻草秸秆处理前后的表面形态的变化

5.3.3 最大底物浓度的确定

5.3.4 两种底物在不同纤维素酶加入量的酶解

5.3.5 稻草秸秆不同纤维素酶加入的同步糖化发酵

5.3.6 稻草秸秆不同底物浓度下的同步糖化发酵

5.3.7 稻草秸秆不同温度下的同步糖化发酵

5.3.8 三种底物在相同纤维素酶加入量的同步糖化发酵

5.4 本章小结

第六章 假丝酵母利用半纤维素水解液的发酵

6.1 前言

6.2 材料与方法

6.2.1 材料与试剂

6.2.2 实验仪器

6.2.3 培养基

6.2.4 稻草半纤维素稀酸水解液的制备

6.2.5 稀酸水解液的Overliming脱毒与氢氧化钠水解液的制备

6.2.6 种子液的培养

6.2.7 合成培养基与半纤维素水解液的发酵

6.2.8 菌体细胞干重测定

6.2.9 还原糖、单糖和乙醇测定

6.3 结果与讨论

6.3.1 Candida shehatae 1766发酵乙醇的基础性研究

6.3.2 Candida shehatae 1766发酵稻草秸秆稀酸水解液

6.4 本章小结

论文结论

存在的问题与展望

创新点

致谢

参考文献

附录: 作者在攻读博士学位期间发表的论文