利用玉米秸稈制取燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、利用豐富而廉價(jià)的木質(zhì)纖維素資源代替糧食生產(chǎn)燃料乙醇,對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義.本文對(duì)木質(zhì)纖維原料的預(yù)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(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究. 針對(duì)玉米秸稈結(jié)構(gòu)致密、難于直接被酶水解的特點(diǎn),分別采用稀酸、氨水/稀酸、石灰、氫氧化鈉等方法對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理.結(jié)果表明,采用2﹪NaOH于85℃對(duì)玉米秸稈處理75 min,木質(zhì)素的脫除率達(dá)到73.

2、9﹪,處理后的纖維殘?jiān)子诒幻附到?酶解得率達(dá)到81.2﹪;固液分離后的堿液可以重復(fù)利用3～4次,從而降低預(yù)處理成本;氫氧化鈉預(yù)處理?xiàng)l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(duì)纖維素的糖化進(jìn)程及纖維素酶的作用機(jī)制進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,底物的酶解得率和預(yù)處理過(guò)程中木質(zhì)素的脫除率表現(xiàn)出正向相關(guān)性,而與半纖維素的脫除程度關(guān)系并不大;纖維素酶系組成對(duì)酶解進(jìn)程有重要

3、影響,補(bǔ)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(guò)程中底物中的半纖維素同時(shí)被酶制劑中的木聚糖酶水解成木糖等單糖;針對(duì)纖維底物比容較大的特點(diǎn),采用分批補(bǔ)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(chǔ). 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(guān)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(lái)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(yīng)用.對(duì)已構(gòu)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(qiáng)、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(duì)葡萄糖和木糖的乙醇得率達(dá)到0.41.但重組酵母生長(zhǎng)緩慢、對(duì)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(huì)對(duì)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(duì)玉米秸稈纖維素、半纖維素水解液中的葡萄糖和木糖進(jìn)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(duì)葡萄糖和木糖的乙醇得率達(dá)到0.418.由于重組酵母Sce

6、revisiae ZU-10對(duì)半纖維素水解液中木糖的有效轉(zhuǎn)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(guò)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(duì)水解液中葡萄糖和木糖的共發(fā)酵相結(jié)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(duì)纖維素酶的反饋抑制,從而提高了底物的乙醇轉(zhuǎn)化率. 鑒于重組酵

7、母生長(zhǎng)緩慢,生長(zhǎng)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(xì)胞發(fā)酵木糖,同游離細(xì)胞相比,固定化細(xì)胞的發(fā)酵周期由96 h縮短至60 h,對(duì)乙酸的耐受性由0.25 g/L提高到1.2 g/L,對(duì)糠醛的耐受性由0.08 g/L提高到0.12 g/L,而且細(xì)胞易于重復(fù)利用.利用固定化細(xì)胞重復(fù)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(duì)葡萄糖和木

8、糖的平均乙醇得率為0.41. 將氫氧化鈉預(yù)處理后殘?jiān)欣w維素和半纖維素的乙醇轉(zhuǎn)化、堿處理液中木質(zhì)素的回收、堿溶性半纖維素糖類(lèi)的回收利用進(jìn)行有機(jī)整合,從而實(shí)現(xiàn)玉米秸稈各組分的綜合利用.對(duì)利用玉米秸稈生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(xiàn),為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)纖維乙醇的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ). 本文在基因重組酵母對(duì)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