利用玉米秸稈制取燃料乙醇的關鍵技術研究.pdf

1、利用豐富而廉價的木質(zhì)纖維素資源代替糧食生產(chǎn)燃料乙醇,對我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義.本文對木質(zhì)纖維原料的預處理、纖維素和半纖維素的水解糖化、利用己糖、戊糖發(fā)酵乙醇、以及木質(zhì)纖維原料的綜合利用等關鍵技術進行了系統(tǒng)研究. 針對玉米秸稈結構致密、難于直接被酶水解的特點,分別采用稀酸、氨水/稀酸、石灰、氫氧化鈉等方法對玉米秸稈進行預處理.結果表明,采用2﹪NaOH于85℃對玉米秸稈處理75 min,木質(zhì)素的脫除率達到73.

2、9﹪,處理后的纖維殘渣易于被酶降解,酶解得率達到81.2﹪;固液分離后的堿液可以重復利用3～4次,從而降低預處理成本;氫氧化鈉預處理條件溫和,能耗低,并可有效脫除了原料中的乙酸等發(fā)酵抑制物,有利于玉米秸稈水解液的乙醇發(fā)酵. 采用纖維素酶水解玉米秸稈,對纖維素的糖化進程及纖維素酶的作用機制進行了研究.結果表明,底物的酶解得率和預處理過程中木質(zhì)素的脫除率表現(xiàn)出正向相關性,而與半纖維素的脫除程度關系并不大;纖維素酶系組成對酶解進程有重要

3、影響,補加纖維二糖酶可以改善里氏木霉纖維素酶的酶系組成,大大減弱纖維二糖累積引起的反饋抑制;纖維素水解過程中底物中的半纖維素同時被酶制劑中的木聚糖酶水解成木糖等單糖;針對纖維底物比容較大的特點,采用分批補料酶解工藝提高底物濃度,從而有效地提高了酶解液中的還原糖濃度,而且維持了較高的酶解得率,該工藝為提高后續(xù)發(fā)酵的乙醇濃度奠定了基礎. 木糖的乙醇發(fā)酵是利用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)乙醇的關鍵環(huán)節(jié).常用的釀酒酵母只能發(fā)酵葡萄糖,不能利用來自半纖

4、維素的木糖.少數(shù)微生物如 Pichia stipitis、Candida shehatae等雖然能夠利用木糖,但由于要求"半好氧"的發(fā)酵條件及較差的乙醇耐受性而不適合工業(yè)化應用.對已構建的一株基因重組酵母(Saccharomyces cerevisiae ZU-10) 的研究表明,重組酵母具有乙醇耐受性強、遺傳性能穩(wěn)定、可在厭氧條件下發(fā)酵葡萄糖和木糖產(chǎn)乙醇等優(yōu)良性能,48 h內(nèi)50g/L 葡萄糖和 30 g/L 木糖發(fā)酵生成32.8 g

5、/L 乙醇,對葡萄糖和木糖的乙醇得率達到0.41.但重組酵母生長緩慢、對乙酸和糠醛等抑制物較為敏感,濃度高于0.25 g/L 乙酸或者高于0.08g/L糠醛都會對其發(fā)酵木糖產(chǎn)生較大影響.利用重組酵母S. cerevisiae ZU-10在厭氧條件下對玉米秸稈纖維素、半纖維素水解液中的葡萄糖和木糖進行共發(fā)酵,66.9 g/L葡萄糖和32.1 g/L木糖發(fā)酵生成41.4 g/L乙醇,對葡萄糖和木糖的乙醇得率達到0.418.由于重組酵母Sce

6、revisiae ZU-10對半纖維素水解液中木糖的有效轉化,從而使得乙醇產(chǎn)量相比普通釀酒酵母發(fā)酵增加了24.2﹪. 為消除糖化過程中產(chǎn)物的反饋抑制,采用同步糖化發(fā)酵工藝,將纖維素和半纖維素的糖化與重組酵母對水解液中葡萄糖和木糖的共發(fā)酵相結合.研究表明,纖維素和半纖維素水解產(chǎn)生的葡萄糖和木糖被重組酵母S. cerevisiae ZU-10快速利用,有效解除了葡萄糖對纖維素酶的反饋抑制,從而提高了底物的乙醇轉化率. 鑒于重組酵

7、母生長緩慢,生長階段好氧、發(fā)酵階段厭氧的特性,采用海藻酸鈣凝膠包埋法固定重組酵母.利用固定化細胞發(fā)酵木糖,同游離細胞相比,固定化細胞的發(fā)酵周期由96 h縮短至60 h,對乙酸的耐受性由0.25 g/L提高到1.2 g/L,對糠醛的耐受性由0.08 g/L提高到0.12 g/L,而且細胞易于重復利用.利用固定化細胞重復12批發(fā)酵玉米秸稈水解液,葡萄糖利用率均為100﹪,木糖利用率均在90﹪以上,平均乙醇濃度為40.4 g/L,對葡萄糖和木

8、糖的平均乙醇得率為0.41. 將氫氧化鈉預處理后殘渣中纖維素和半纖維素的乙醇轉化、堿處理液中木質(zhì)素的回收、堿溶性半纖維素糖類的回收利用進行有機整合,從而實現(xiàn)玉米秸稈各組分的綜合利用.對利用玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的關鍵技術進行集成優(yōu)化,現(xiàn)已在河南天冠燃料乙醇有限公司建成年產(chǎn)300噸纖維乙醇的示范生產(chǎn)線,為進一步實現(xiàn)纖維乙醇的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了扎實的基礎. 本文在基因重組酵母對葡萄糖和木糖的共發(fā)酵、利用基因重組酵母厭氧條件下發(fā)酵玉米