甜高粱杆发酵残渣生产生物质能源的研究

摘要

利用甜高粱杆中的糖分进行固念发酵产乙醇目前正在进行工业化生产,其发酵后所剩余的残渣仍是可开发利用的可再生资源,其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。通过对其进一步综合利用,不仅可以减少对环境的污染,还能产生积极的社会效益和经济效益。
　　 本文针对甜高粱杆固态发酵后残渣的综合利用进行了研究。首先利用残渣中的半纤维素进行生物质化工产品的生产,即两步法产糠醛。在微波辐照下,稀硫酸催化半纤维素降解产木糖,通过响应曲面法分析了反应温度、硫酸浓度、液固比等反应条件对木糖收率和浓度的影响规律,优化得剑最佳的实验条件为反应温度120℃,液固比为5,硫酸浓度为1.2％,反应时间85min,响应面分析法的预测的木糖收率和木糖浓度值分别为46.6％,15.1 g/L。实际测得木糖收率和浓度分别为45.3％,14.5g/L,与模型基本相符。同时研究了微波辐照稀硫酸水解木糖制备糠醛的反应动力学,分别考察了硫酸浓度、反应温度和反应时间对糠醛产率的影响,求出了速率常数、反应活化能和指前因子,建立了木糖降解的反应动力学模型。实验结果表明木糖降解反应的活化能为48.05kJ·mol-1,糠醛最大收率达到53.5％。
　　 其次利用纤维素酶对酸水解后的发酵渣水解条件进行了优化。将稀硫酸处理后残渣经过滤、水洗,主要成分是纤维素、木质素及少量的半纤维素,经过前面稀硫酸处理和微波辐照,改变了原来原料中的各组分含量,破坏了纤维素原有的结晶结构,有利于后续的酶解及发酵工艺。采用纤维素酶水解滤渣,考察了底物浓度、纤维素酶用量、摇床转速和表面活性剂对纤维素酶解效率的影响,得到最适酶解条件为:底物浓度130g/L、纤维素酶用量11FPU/g、表而活性剂Tween-80的添加量为1％、摇床转速140r/min。在此条件下,水解48h后纤维素转化率达到62.3％,还原糖浓度为53.2g/L。
　　 随后对乙醇发酵工艺条件进行了优化。采用同步糖化发酵,以安琪高活性干酵母为菌种发酵生产乙醇,研究了不同温度对同步发酵糖化的影响,综合考虑选择38℃为发酵温度。并研究了不同氮源对同步糖化发酵的影响,结果表明在发酵过程中添加有机氮源的效果要优于无机氮源,在有机氮源中酵母膏的效果要好于蛋白胨,最适酵母膏添加量为1％,酒精浓度为22.76g/L。最后对分步糖化发酵和同步发酵糖化进行了比较,结果发现同步糖化发酵发酵周期短,酒精得率要高于分步糖化发酵。