玉米芯酶法糖化发酵生产乙醇的研究

摘要

玉米芯作为一种丰富廉价的植物纤维资源,可以代替有限的粮食原料发酵生产燃料乙醇,在开发新能源和环境保护等方面具有重要的经济效益和社会效益.本文对玉米芯的酶解糖化、酶解液的乙醇发酵、利用耐高温酵母及共发酵木糖一葡萄糖的基因重组酵母分别进行同步糖化发酵生产乙醇等技术进行了研究. 对稀酸预处理玉米芯纤维残渣的酶解糖化进行了研究,结果表明,纤维素酶的适宜用量为20 FPIU/g底物,酶解时间以48 h为宜;补加纤维二糖酶有效解除了纤维二糖累积引起的反馈抑制,提高了酶解得率;酶解体系中添加1﹪非离子型表面活性剂Tween-80和0.5﹪微量元素溶液可以有效促进酶解,还原糖质量浓度达到68.2g/L,酶解得率达93.1﹪;采用分批补料酶解工艺提高底物浓度,可以有效提高酶解液中的还原糖浓度,酶解得率仍能够维持在较高水平,该工艺为提高后续发酵的乙醇浓度奠定了基础.酶解液中的葡萄糖可被耐高温酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae HTR-11迅速发酵生成乙醇,接种后18 h内葡萄糖被完全利用,乙醇质量浓度达25.1g/L,葡萄糖代谢产生乙醇的得率为0.477 g乙醇/g葡萄糖,达到理论得率的93.7﹪. 采用耐高温酵母S. cerevisiae HTR-11为发酵菌株,对稀酸预处理后的玉米芯纤维残渣进行同步糖化发酵生产乙醇.研究结果表明,同步糖化发酵前调节pH值至4.8-5.0,可有效提高乙醇产量.原料预酶解对乙醇最终产率产生不利影响,因此以直接同步糖化发酵为宜,同步糖化发酵周期为92h.耐高温酵母S.cerevisiaeHTR-11的最适同步糖化发酵温度为38℃,适宜的氮源为蛋白胨,添加量以10 g/L为宜,同步糖化发酵92 h后乙醇浓度达到29.7 g/L,纤维素转化产生乙醇的得率为0.500 g乙醇/g纤维素.同步糖化发酵有效消除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用,乙醇得率比分步水解糖化发酵增加了18.2﹪. 采用基因重组酵母S. cerevisiae ZU-10为发酵菌株,对碱法预处理后的玉米芯纤维残渣进行同步糖化发酵生产乙醇.研究结果表明,原料预酶解会对乙醇产率产生不利影响,因此以直接同步糖化发酵为宜,同步糖化发酵周期为116 h.同步糖化发酵过程中添加适量木聚糖酶可以提高乙醇的产量.优化后的同步糖化发酵工艺条件为:发酵温度30℃,蛋白胨7.5 g/L,木聚糖酶用量400 IU/g底物,接种量10﹪,摇床转速120 rpm.在优化后的工艺条件下同步糖化发酵116 h,乙醇浓度达到37.8G/L,纤维素和半纤维素转化产生乙醇的得率为0.408 g乙醇/g碳水化合物.增加底物浓度可以提高发酵液中乙醇的浓度,底物浓度从100g/L增加到200 g/L时,乙醇浓度从37.8g/L增加到66.6 g/L,发酵液中乙醇浓度的提高,对降低乙醇蒸馏回收所耗用的能量成本具有重要意义. 对上述三种乙醇生产工艺进行了比较,结果表明,利用基因重组酵母Scerevisiae ZU-10对碱法预处理后的玉米芯纤维残渣进行同步糖化发酵,1 g玉米芯可转化为乙醇0.278 g,能够得到较高的乙醇产率,是比较优良的乙醇生产工艺.该工艺有效实现了纤维素和半纤维素的乙醇共转化,对降低生产成本,提高乙醇发酵的生产效率具有十分重要的意义.

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1概述

1.2燃料乙醇的研究意义及发展概况

1.2.1燃料乙醇的研究意义

1.2.2燃料乙醇的发展概况

1.3木质纤维原料的组成

1.4利用木质纤维原料生产燃料乙醇的研究

1.4.1木质纤维原料的预处理

1.4.2木质纤维原料的酶法水解

1.4.3乙醇发酵

第二章玉米芯的酶解及酶解液的乙醇发酵

引言

2.1材料与方法

2.1.1纤维原料

2.1.2预处理

2.1.3酶制剂

2.1.4酶水解

2.1.5菌种及保藏

2.1.6酶解液的乙醇发酵

2.1.7分析方法

2.2结果与讨论

2.2.1稀酸预处理前后玉米芯的成分分析

2.2.2批式酶解工艺参数的优化

2.2.3分批补料酶解工艺

2.2.4酶解液的乙醇发酵

2.3本章小结

第三章耐高温酵母同步糖化发酵玉米芯生产乙醇的研究

引言

3.1材料与方法

3.1.1纤维原料及预处理

3.1.2酶制剂

3.1.3菌种及保藏

3.1.4培养基

3.1.5种子液的制备

3.1.6同步糖化发酵

3.1.7分析方法

3.2结果与讨论

3.2.1 pH对同步糖化发酵的影响

3.2.2预酶解对同步糖化发酵的影响

3.2.3温度对同步糖化发酵的影响

3.2.4氮源对同步糖化发酵的影响

3.2.5同步糖化发酵与分步水解糖化发酵的比较

3.3本章小结

第四章基因重组酵母同步糖化发酵玉米芯生产乙醇的研究

引言

4.1材料与方法

4.1.1纤维原料及预处理

4.1.2酶制剂

4.1.3菌种及保藏

4.1.4培养基

4.1.5种子液的制备

4.1.6同步糖化发酵

4.1.7分析方法

4.2结果与讨论

4.2.1氢氧化钠预处理前后玉米芯的成分分析

4.2.2同步糖化发酵

4.2.3不同生产工艺乙醇产量的比较

4.3本章小结

第五章结论与建议

5.1结论

5.2建议

参考文献

致谢

附录：论文发表情况