以木质纤维素为原料的燃料乙醇生产工艺及废水零排放技术研究

摘要

在环境污染和能源危机的背景下,燃料乙醇作为一种清洁可再生的能源得到了众多的关注。木质纤维素原料来源广泛,以其为原料生产燃料乙醇可以为避免粮食危机作出贡献。但目前木质纤维素生产燃料乙醇存在工艺复杂,费用居高不下,环境污染等问题。本课题选择玉米秸秆等农林废料为基本原料,研究了燃料乙醇的制备工艺,分析了电催化法木质纤维素水解液中发酵抑制物的控制及分离方法,构建了固定化混合菌种发酵工艺及母液循环利用的方法,设计了一套通过乙醇废水生物絮凝处理和循环利用来实现乙醇废水零排放的技术方案。
　　 探究了木质纤维素水解液中水解液抑制物对驯化前后的酵母菌生长和乙醇发酵的影响。实验结果表明,乙酸、糠醛、甲酸、苯酚都会对酵母菌的生长繁殖产生抑制作用,四种物质对酵母菌生长的抑制强度依次为甲酸>糠醛>苯酚>乙酸,四种物质对酒精发酵的抑制强度依次为甲酸>糠醛>苯酚>乙酸,四种抑制物对未驯化的酵母发酵的抑制作用比对驯化后的强。
　　 探究了木质纤维素水解液中的抑制物对木糖发酵的影响,通过对比在不同浓度的抑制物作用下的嗜单宁管囊酵母菌的生长曲线,以及菌种发酵木糖过程所消耗的糖和乙醇产率来概括了木质纤维素水解液中抑制物对发酵的影响程度,实验证明抑制物可以减缓或者完全抑制菌种的生长和木糖的发酵过程。且驯化后的菌种表现出更好的耐毒性。
　　 考察了水解液的脱毒方法,确定了脱毒工艺。调节水解液pH至6,CTS投量0.1 g／L,搅拌均匀,静置过滤。所获的最佳的脱毒率为78.5％。基于响应面试验设计所得的脱毒工艺的最佳工艺参数准确可靠,且具有实用价值。且在该方法处理后的水解液中菌种能很快地进入生长平衡期。
　　 为了充分利用木质纤维素水解液中的葡萄糖和木糖发酵,采用固定化混合菌种(同时固定驯化后的嗜单宁管囊酵母和驯化后的酿酒酵母两种菌种)进行絮凝脱毒后水解液的发酵,同时对普通的固定化颗粒进行改性,研究表明壳聚糖.海藻酸钙固定化菌种有较好的发酵效果,且此时氯化钙的浓度为3％,固定化粒子的粒径为5.3 mm。此种固定化混合菌种用于发酵,发酵温度30℃,震荡培养器转速150 r／min,木质纤维素水解液pH5.03,发酵液还原糖浓度82 g／L时发酵效果最佳,酒精浓度达20.04 g／L。且各种菌种最佳发酵条件下的乙醇产率排序为:海藻酸钙.壳聚糖固定化混合菌种>海藻酸钙-三氧化二铝固定化混合菌种>游离态的混合菌种>海藻酸钙-壳聚糖固定化酿酒酵母>海藻酸钙-壳聚糖固定化嗜单宁管囊酵母>海藻酸钙-三氧化二铝固定化酿酒酵母>海藻酸钙-三氧化二铝固定化嗜单宁管囊酵母>游离态的酿酒酵母>游离态的嗜单宁管囊酵母。
　　 本工作还提出和设计了一套乙醇废水生物絮凝处理和循环利用技术方案,实现废水零排放。试验结果表明,以本实验室合成的聚天冬氨酸为生物絮凝剂,可有效分离废水中的杂质,消除影响乙醇发酵的有害因素,废水经过十次循环处理利用,乙醇收率仍与使用自来水相当,达到应用标准。
　　 探索性研究循环催化法处理木质纤维素原料。具体的工艺过程为将原料与70％的浓硫酸混合,反应温度80℃,形成胶状混合物后将酸浓度稀释为35％,沸腾反应一小时后过滤,使用强酸性树脂分离。分离的最终结果显示树脂分离糖酸有一定的可行性。

目录

文摘

英文文摘

Contents

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外燃料乙醇的发展概况

1.3 纤维素,木质素原料发酵前处理工艺

1.3.1 概述

1.3.2 酸解法

1.3.3 酶解法

1.4 纤维质原料水解液中的抑制物及其脱毒方法

1.5 发酵工艺

1.6 乙醇废水处理工艺

1.6.1 乙醇废水水质

1.6.2 生化法

1.6.3 DDGS工艺

1.6.4 其他水处理方法

1.6.5 絮凝沉降法

1.6.6 本课题组对难降解有机废水处理的研究简介

1.7 本课题的研究目的和意义

参考文献

第二章 木质纤维素水解液中抑制物对酿酒酵母生长及乙醇发酵的影响

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 实验仪器、药品和原料

2.2.2 培养基

2.2.3 实验方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 木质纤维素水解液中抑制物对酵母菌生长的影响

2.3.2 木质纤维素水解液中抑制物对酒精发酵的影响

2.4 小结

参考文献

第三章 木质纤维素水解液中抑制物对木糖发酵影响

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验仪器、药品和原料

3.2.2 菌种的培养

3.2.3 实验方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 木质纤维素水解液成分分析

3.3.2 木质纤维素水解液中抑制物对菌种成活的影响

3.3.3 木质纤维素水解液中抑制物对菌种生长过程的影响

3.3.4 木质纤维素水解液中抑制物对乙醇发酵的影响(驯化前)

3.3.5 木质纤维素水解液中抑制物对乙醇发酵的影响(驯化后)

3.4 小结

参考文献

第四章 木质纤维素水解液的脱毒工艺研究

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 实验药品及仪器

4.2.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 絮凝剂投量对于脱毒效果的影响

4.3.2 脱毒前后紫外光谱图对比

4.3.3 温度对于絮凝剂的脱毒效果的影响

4.3.4 pH对于絮凝剂脱毒效果的影响

4.3.5 Box-Behnken试验设计

4.4 小结

参考文献

第五章 固定化菌种发酵工艺

5.1 引言

5.2 实验

5.2.1 实验药品及实验仪器

5.2.2 实验方法

5.2.3 检测方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 固定化细胞的评估

5.3.2 固定化混合菌种增殖曲线的测定

5.3.3 不同还原糖浓度下固定化混合菌种发酵情况

5.3.4 不同pH值下固定化混合菌种发酵情况

5.3.5 菌种发酵生产乙醇情况对比

5.4 小结

参考文献

第六章 乙醇废水生物絮凝处理工艺及废水回用

6.1 引言

6.2 实验

6.2.1 实验材料和药品

6.2.2 实验方法

6.2.3 检测方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 废水回用工艺的可行性分析

6.3.2 影响废水循环利用过程中乙醇产率的因素

6.4 小结

参考文献

第七章 循环催化法木质纤维素水解糖化技术(探索性研究)

7.1 引言

7.2 实验

7.2.1 实验材料及仪器

7.2.2 实验方法

7.2.3 检测方法

7.3 结果与分析

7.3.1 木质纤维素水解糖化

7.3.2 树脂分离糖酸工艺的初步验证

7.3.3 树脂法分离条件的研究

7.4 小结

参考文献

第八章 结论

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

博士研究生学位论文答辩委员会决议书