与膜耦合的细胞固定化串联发酵生物质制乙醇的研究

摘要

与膜分离耦合的细胞固定化乙醇发酵技术的开发研究对于发展非粮食植物的节约化加工技术和替代石油的新型清洁能源生产具有重大意义。 植物纤维原料包括纤维素、半纤维素和木质素，是地球上最丰富的生物可再生资源，利用其作为廉价的糖源生产燃料乙醇是解决世界能源危机的最有效途径。本研究采用海藻酸钙固定普通酿酒酵母和嗜鞣管囊酵母于两个串联的发酵罐内连续发酵葡萄糖和木糖组成的糖液并与膜耦合的方法来制取酒精。通过硅橡胶膜(PDMS膜)的渗透蒸发作用将产品乙醇从发酵液中移出。解决了发酵过程中由于细胞浓度低和产物的抑制作用造成的转化率低、乙醇生产力不足的缺点，提高了糖的利用率和乙醇的产率。主要研究结果如下： 研究了不同通气量对嗜鞣管囊酵母发酵木糖的影响。结果表明，在稀释率为0.382h<'-1>，木糖浓度为25g/L时，96-154ml/min的通气量是比较合适的。 研究了葡萄糖浓度对嗜鞣管囊酵母代谢木糖的影响。在35℃、稀释率为0.382h<'-1>、通气量为120 ml/min、初始木糖为25g/L的条件下，当葡萄糖浓度与木糖浓度之比达到1：1时，葡萄糖对嗜鞣管囊酵母发酵木糖的抑制作用明显增大。 研究了装置在未与膜耦合时，不同稀释率对装置发酵性能的影响。结果表明，在初始还原糖浓度为75g/L(葡萄糖与木糖的浓度比为2：1)、发酵温度35℃、通气量为120ml/min、发酵液pH值4.5的参数条件下，稀释率为0.321h<'-1>时，为整个装置的最佳发酵状态。 研究了装置在最佳操作参数条件下，未与膜耦合和与膜耦合两种状态下装置发酵性能的差别。研究表明，在渗透蒸发膜的作用下，装置的发酵能力有很大的提升。 通过正交实验确定了装置的最佳操作参数。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1文献综述

1.1发酵制燃料乙醇的背景和现状

1.1.1研究背景

1.1.2发酵制燃料乙醇发展现状

1.2纤维素原料水解液的制备

1.2.1物理法

1.2.2物理化学法

1.2.3化学法

1.2.4生物法

1.3纤维素水解液的发酵微生物及机理

1.3.1发酵微生物

1.3.2发酵机理的研究

1.4酒精发酵工艺

1.4.1传统酒精发酵模式

1.4.2酒精发酵新工艺

1.5细胞固定化方法

1.5.1表面吸附固定

1.5.2包埋固定

1.5.3胶囊固定

1.5.4自我固定

1.6海藻酸钙胶珠

1.6.1海藻酸钠

1.6.2海藻酸钙微胶珠形成机理

1.7与膜分离耦合发酵制乙醇

1.7.1与膜耦合的发酵方法的介绍

1.7.2硅橡胶膜分离原理及特性

1.7.3影响膜生物反应器运行效果的因素

1.7.4膜生物反应器的选型

1.7.5膜生物反应器存在问题

1.8存在的问题与本研究的内容

2嗜鞣管囊酵母对木糖的发酵特性

2.1材料与方法

2.1.1试验材料

2.1.2酵母的各级培养与培养基的配置

2.1.3分析与检测

2.1.4实验方法

2.2结果与讨论

2.2.1通气量对嗜鞣管囊酵母发酵木糖的影响

2.2.2葡萄糖浓度对嗜鞣管囊酵母发酵木糖的影响

2.3小结

3未与膜耦合的连续发酵系统性能

3.1实验材料与方法

3.1.1实验材料

3.1.2实验仪器

3.1.3分析与检测

3.1.4酵母细胞固定

3.1.5连续发酵装置及主要部件说明

3.1.6连续发酵实验

3.2实验结果与讨论

3.2.1稀释率对发酵装置的影响

3.2.2海藻酸钙胶珠结构与内部细胞分布

3.3小结

4与膜耦合的连续发酵系统性能

4.1实验材料与方法

4.1.1实验材料

4.1.2实验仪器

4.1.3分析与检测

4.1.4酵母细胞固定

4.1.5与膜耦合的连续发酵装置主要部件说明

4.1.6实验方法

4.2结果与讨论

4.2.1发酵-分离耦合性能

4.2.2与膜耦合同未与膜耦合发酵的性能比较

4.2.3与其它发酵过程的结果对比

4.3小结

5正交实验

5.1实验材料与方法

5.1.1实验材料

5.1.2实验仪器

5.1.3分析与检测

5.1.4酵母细胞固定

5.1.5与膜耦合的连续发酵装置主要部件说明

5.1.6实验方法

5.2实验结果与讨论

5.2.1直观分析

5.2.2极差分析

5.3小结

6结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢