氣載乙醇同步固態(tài)酶發(fā)酵稻草基質(zhì)中傳輸與反應(yīng)特性.pdf

1、隨著傳統(tǒng)化石燃料的日益枯竭及其使用過程中帶來的一系列環(huán)境問題，世界各國加大了對可再生、環(huán)境友好的新能源的研究。其中生物燃料乙醇以其一系列優(yōu)點得到了廣泛關(guān)注。當(dāng)前廣泛使用糧食為原料生產(chǎn)燃料乙醇，這必將加劇世界糧食供應(yīng)緊張的狀況。而纖維素是自然界中最為豐富的生物質(zhì)資源，但大量秸稈等纖維素質(zhì)原料采用就地焚燒或直接廢棄而未得到充分利用。因此，發(fā)展以纖維質(zhì)原料為資源的生物乙醇轉(zhuǎn)化技術(shù)，兼得經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)保、社會多重效益，對于解決人類面臨的經(jīng)濟增長

2、和環(huán)境保護的雙重壓力，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護具有重要意義。
　　 木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，且纖維素被木質(zhì)素和半纖維素所包裹，結(jié)晶度高。為此，需要對木質(zhì)纖維素進行預(yù)處理，去除其中的木質(zhì)素和半纖維素，提高纖維素對纖維素酶的吸附作用，強化酶解效率。同時由于還原糖對纖維素酶解過程和乙醇對酵母菌乙醇發(fā)酵過程具有明顯抑制作用，因此提出了氣載乙醇同步固態(tài)酶解發(fā)酵的方法。在這個體系內(nèi)以載氣為流動相，填充床

3、內(nèi)多孔介質(zhì)為同步固態(tài)酶解發(fā)酵基質(zhì)，構(gòu)成了含有氣體流動和生化反應(yīng)的多組分物質(zhì)傳輸?shù)膹?fù)雜體系，其中酶解產(chǎn)生的還原糖被酵母菌快速消耗，發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇由固定相向流動相擴散傳遞，由載氣將乙醇載出，實現(xiàn)了固態(tài)酶解和乙醇發(fā)酵的同步進行，消除了葡萄糖對酶解糖化作用的抑制和乙醇對乙醇發(fā)酵過程的抑制作用，極大地提高了纖維素轉(zhuǎn)化乙醇的效率。課題得到以下主要研究成果：
　　 ①對固態(tài)酶解反應(yīng)條件進行了優(yōu)化。分別進行了基質(zhì)含水量、酶解溫度、稻草目數(shù)及酶添

4、加量對實驗結(jié)果的影響，獲得了稻草秸稈為基質(zhì)的固態(tài)酶解最優(yōu)反應(yīng)條件：基質(zhì)含水量為1 mL_/(g基質(zhì))、酶解溫度50℃、稻草目數(shù)為60以及酶的添加量為30 u/(g基質(zhì))。另外，對基質(zhì)進行的熱重分析表明酶解后基質(zhì)燃燒焓的減少是由于酶解作用導(dǎo)致的基質(zhì)中纖維素含量的降低，酶解前后基質(zhì)的失重臺變化表明由于酶解作用稻草秸稈基質(zhì)的化學(xué)成分發(fā)生了一定改變。
　　 ②進行了預(yù)處理方式對固態(tài)酶解特性的影響研究。結(jié)果表明：NaOH，H2SO4，超聲

5、波預(yù)處理后秸稈顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，酶解后葡萄糖產(chǎn)量明顯提高，其中NaOH處理后酶解產(chǎn)糖量最高。因此，適當(dāng)?shù)念A(yù)處理能破壞基質(zhì)表面的完整性和由木質(zhì)素、半纖維素構(gòu)成的保護鞘，提高纖維素酶的吸附作用，增強纖維素酶的水解效率，明顯提高還原糖產(chǎn)率。
　　 ③研究了氣載條件下以葡萄糖為底物的酵母菌發(fā)酵動力學(xué)特性實驗。發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)酵液中初始葡萄糖濃度的增大，酵母菌的對數(shù)生長期延長，同時生物量的濃度顯著提高，反應(yīng)液中乙醇量呈逐漸增加的趨勢；但當(dāng)初

6、始葡萄糖濃度增加至20％時，反應(yīng)液中乙醇量增加較小，同時由于底物抑制作用，酵母菌在生長穩(wěn)定期的生物量濃度下降。建立了初始葡萄糖濃度為15％時的氣載乙醇發(fā)酵動力學(xué)模型，模擬了酵母菌濃度、溶液中乙醇量及底物消耗量關(guān)于時間的變化過程，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。研究結(jié)果表明在氣載條件下當(dāng)葡萄糖初始濃度為15％時酵母菌乙醇發(fā)酵性能最好，同時載氣能有效消除產(chǎn)物乙醇對酵母菌乙醇發(fā)酵的抑制作用。
　　 ④研究了氣載條件下填充床內(nèi)稻草基質(zhì)同步固

7、態(tài)酶解發(fā)酵特性實驗。結(jié)果表明，在基質(zhì)濕度2 mL/(g基質(zhì))時填充床內(nèi)稻草基質(zhì)同步固態(tài)酶解發(fā)酵效果最佳；隨著載氣流量的增加，載出乙醇的量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，載氣流量為30mL/(min)時候氣載乙醇效果最佳；隨著酵母液添加量增加，乙醇產(chǎn)量呈先增加后趨于平衡的趨勢，酵母液添加量為0.75mL/(g基質(zhì))時，乙醇產(chǎn)量達到最大。
　　 ⑤建立了氣載乙醇同步固態(tài)酶解發(fā)酵填充床內(nèi)傳輸理論模型，獲得了不同操作參數(shù)下填充床內(nèi)乙醇濃度分布規(guī)