高效燃料乙醇生物催化劑的設(shè)計(jì)與制備.pdf

1、燃料乙醇，作為一種可再生清潔能源，最有可能成為石油替代能源，因此受到了許多研究者的關(guān)注。本文設(shè)計(jì)并制備了一種高效燃料乙醇生物催化劑一有機(jī)一無機(jī)復(fù)合膜狀生物催化劑，應(yīng)用于糖蜜發(fā)酵工藝取得了較好的效果，具有廣闊的工業(yè)化前景。 本文選定NKA為酵母源，找到了它適宜生長條件：150 g/t，糖蜜培養(yǎng)基，接種量1.0×10<'8>個(gè)/ml、30℃、pH 4.5。在此條件下酵母對數(shù)生長期為14 h，NKA最高耐乙醇濃度為14％(’v/v)。

2、 生物催化劑載體是影響乙醇生產(chǎn)能力和工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文從單組分有機(jī)聚合物入手，選定海藻酸鈉(SA)、聚乙烯醇(PVA)為載體材料，以包埋細(xì)胞數(shù)、擴(kuò)散游離細(xì)胞數(shù)等參數(shù)考察了載體材料的固定化效果，SA為2.0％或PVA為10.0％最優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，制備并篩選出兩組分有機(jī)復(fù)合載體，組成為10％PVA和2％SA，其余部分為水，較單組分有機(jī)載體有更好的負(fù)載包埋效果，機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)。同時(shí)本文以無機(jī)材料為載體，考察了它們對酵母細(xì)胞的吸附

3、效果：吸附量由高到低為：MCM-41>γ-Al<,2>O<,3>>高嶺土>硅藻土，對比有機(jī)載體，單一的無機(jī)載體細(xì)胞親和性差。 本文用γ-Al<,2>O<,3>、MCM-41分別對有機(jī)復(fù)合載體進(jìn)行單組分改性和雙組分改性，制備有機(jī)一無機(jī)復(fù)合膜狀載體，這種吸附一包埋耦合固定技術(shù)起到了吸附和包埋的雙重效果：用0.5％MCM-41改性有機(jī)復(fù)合載體，優(yōu)于1.0％γ-Al<,2>O<,3>改性載體。組成為10％PVA，2％SA，1％1γ-Al

4、<,2>O<,3>和0.5％MCM-41的雙組分改性載體，增殖菌數(shù)58.55×10<'8>個(gè)/ml、游離菌數(shù)2.95×10<'8>個(gè)/ml、出芽率45.20％，載體的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于單組分改性載體。由于MCM-41的價(jià)格昂貴且尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)選擇了載體1.0％γ-Al<,2>O<,3>改性有機(jī)復(fù)合載體應(yīng)用于發(fā)酵工藝條件實(shí)驗(yàn)。 載體結(jié)構(gòu)與催化性能的關(guān)系是對燃料乙醇生物催化的本質(zhì)，本文運(yùn)用SEM、BET、吡啶紅外光

5、譜等表征手段推測：載體對細(xì)胞的親和性能，受比表面積和酸量的共同影響。載體結(jié)構(gòu)與生物催化劑性能的關(guān)系研究，涉及無機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、酶工程、材料化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，有待于進(jìn)一步研究。同時(shí)本文發(fā)現(xiàn)膜狀載體的催化發(fā)酵結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于球型載體，徑高比1：1.5的反應(yīng)器發(fā)酵速度要快于徑高比1：7的反應(yīng)器。 燃料乙醇生物催化劑-1.0％γ-Al<,2>O<,3>改性有機(jī)復(fù)合載體吸附包埋細(xì)胞，應(yīng)用于單級反應(yīng)器批式發(fā)酵，最適宜發(fā)酵條件是：溫度34℃

6、、pH 4.5、填充率14％、初始糖濃度200 g/L。本實(shí)驗(yàn)與江蘇省發(fā)酵食品研究所的發(fā)酵結(jié)果相比，發(fā)酵時(shí)間從23.45h縮短為6小時(shí)，初始糖度從154.4g/L提高到200 g/L，殘余糖濃度基本持平，相應(yīng)的乙醇濃度從9.2％提高到12.3％，特別是載體乙醇轉(zhuǎn)化能力從73.64 L·Et-OH/M<'3>·h提高到146.43 L·Et-OH/M<'3>·h，提高了1.7倍。可見有機(jī)一無機(jī)復(fù)合膜狀載體負(fù)載酵母細(xì)胞，是一種高效的燃料乙醇

7、生物催化劑。將其應(yīng)用于二級(2x30L)連續(xù)發(fā)酵，稀釋率在0.125～0.167 h<'-1>區(qū)間內(nèi)最優(yōu)。與江蘇省發(fā)酵食品研究所的發(fā)酵結(jié)果相比，發(fā)酵時(shí)間從7.6 h縮短為6小時(shí)，初始糖度從147.8 g/L提高到200g/L，殘余糖濃度從19.0 g/L降低到7.8g/L，相應(yīng)的乙醇濃度從8.3％提高到12.3％，特別是載體乙醇轉(zhuǎn)化能力從103.00L·Et-OH/M<'3>-h提高到146.43 L·Et-OH/M<'3>·h。反應(yīng)器