利用烟草下脚料发酵制取乙醇

摘要

全球经济的发展和不可再生资源的稀缺性，燃料乙醇作为一种生物质能源引起人们广泛的关注。传统的生物质乙醇主要是利用粮食通过高温蒸煮发酵的方法生产，此法消耗大量粮食和大量能源。但是在目前耕地面积同趋减少，粮食总体产量逐年下降，粮食价格日益上扬的情况下，利用生物质废弃物发酵制取乙醇不仅能够使废物资源化，同时符合国家非粮乙醇和节能减排的产业政策。利用固废发酵制取乙醇，近年来一直是国内外研究的热点，不少学者利用不同的生物质固废发酵制取乙醇。本文旨在探讨利用烟草下脚料发酵制取乙醇，并对其不同的发酵工艺进行探讨，为其资源化提供新思路。
　　 研究烟草下脚料酸解法发酵制取乙醇，考察了硫酸浓度(20％-60％)，固液比（5％-20％），时间（20min-180min），温度（20℃-60℃）对水解的影响。通过四因素三水平正交实验和单因素实验得出最佳的水解条件是：水解温度为50℃，时间为100min，固液比为10％，硫酸浓度为50％时水解得率最高。烟草下脚料在最佳硫酸水解条件下，经五倍稀释，中和pH值至5-6。取经过滤后的水解液(FH)用酿酒酵母（Sacchharomyces cerevisiae）发酵产生乙醇，未过滤水解液（UFH，包括水解残渣）加入纤维素酶和酿酒酵母（Sacchharomyces cerevisiae）进行发酵。经稀释五倍的过滤部分水解液发酵乙醇最大的乙醇浓度是1.09g/L，经五倍稀释未过滤水解液为1.23g/L．最大的乙醇产量分别为54.5g/kg（烟草）和61.5g/kg(烟草)。
　　 在同步糖化发酵（即SSF发酵）制取乙醇的研究中，考察了因素发酵温度（20℃-35℃），菌株接种量(5％-15％)，初始pH值(2.5-7.5)，摇床转速(0，150rmp/min)对发酵产率的影响。结果确定了SSF发酵制取乙醇的最佳条件为：发酵温度30℃，初始pH值为3.5，接种量为10％，摇床速度为150转/min。以发酵时间，纤维素酶用量和固液比三个作为变量，乙醇产率作为响应值，利用响应曲面分析法(RSM)建立了酵母发酵烟草下脚料关于乙醇产量的工艺二次数学模型。实验结果和模拟表明，最佳的工艺参数为：发酵时间为68h，固液比为5％和纤维素酶的量为30U/g。
　　 在固定化复合发酵的研究中，通过实验表明三种酵母菌共固定比单一酵母菌固定或两两酵母菌共固定具有优势。在此基础上，利用正交试验探讨了发酵温度(20-35℃)，固定化小球的填充率(5-24％)，发酵时间(24-96h)和初始pH值(3.5-6.5)对乙醇产率的影响。结果表明固定化最佳发酵条件为：发酵温度为35℃，小球填充率为15％，时间为72小时，pH值为3.5。通过方差分析表明，这四种因素都是影响乙醇产量的显著因素。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 生物质乙醇概述

1.1.1 生物质乙醇的特性

1.1.2 生物质乙醇的生产方式

1.1.3 世界和中国燃料乙醇的发展现状

1.2 生产生物质乙醇的原料

1.2.1 含糖类物质

1.2.2 淀粉类物质

1.2.3 木质纤维类物质

1.3 木质纤维素的水解机理

1.3.1 稀酸水解

1.3.2 浓酸水解

1.3.3 酶水解

1.4 乙醇发酵技术

1.4.1 先糖化后发酵技术

1.4.2 同步糖化发酵技术

1.4.3 固定化酵母发酵

1.5 本课题的提出和研究内容

第二章 烟草下脚料浓硫酸水解发酵制取乙醇

2.1 实验材料

2.1.1 供试菌种

2.1.2 试剂

2.1.3 实验仪器

2.1.4 所需的培养基和配制的溶液

2.3 试验方法

2.3.1 成分分析

2.3.2 浓酸水解

2.3.3 水解液发酵

2.4 试验分析方法

2.4.1 3,5-二硝基水杨酸比色法(DNS)测定还原糖

2.4.2 乙醇含量的测定

2.5 试验结果

2.5.1 原料成分

2.5.2 单糖成分分析

2.5.3 浓硫酸水解因素影响结果

2.6 水解液发酵

2.6.1 过滤水解液的发酵

2.6.2 未过滤水解液的发酵

2.7 小结

第三章 烟草下脚料利用SSF发酵工艺的优化

3.1 试验材料

3.1.1 实验菌种

3.1.2 培养基

3.2 方法

3.2.1 发酵温度对SSF产乙醇的影响

3.2.2 菌株接种量对SSF产乙醇的影响

3.2.3 初始pH对SSF产乙醇的影响

3.2.4 转速对SSF产乙醇的影响

3.2.5 Box-Behnken设计法

3.2.6 发酵的方法

3.2.7 CO2的失重量分析测定方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 发酵温度对SSF产乙醇的影响

3.3.2 菌株接种量对SSF产乙醇的影响

3.3.3 初始pH对SSF产醇的影响

3.3.4 摇床转速对SSF产醇的影响

3.1.3 Box-Behnken试验结果及分析

3.5 结论

第四章 固定化酵母发酵烟草下脚料制取乙醇

4.1 试验材料

4.1.1 实验菌种

4.1.2 培养基

4.2 实验方法

4.2.1 种子液的培养

4.2.2 海藻酸钠包埋法固定酵母菌

4.2.3 复合载体固定酵母菌

4.2.4 复合载体混合固定化发酵

4.2.5 复合载体混合固定化发酵条件的优化

4.2.6 发酵

4.3 实验分析方法

1 机械强度和物理稳定性测定

2 固定化小球传质性能的测定

4.4 实验结果

4.4.1 两种固定化小球的机械性能

4.4.2 固定化小球的内部形态

4.4.3 混合固定酵母菌发酵

4.4.4 复合载体混合固定化发酵条件的优化

4.5 结论

第五章 总结及其展望

致谢

硕士期间发表论文