玉米基原料发酵生产燃料乙醇的分析与探索

发布时间：2020-05-25 11:07

【摘要】：燃料乙醇是一种重要的生物质能源,由于其清洁、可再生等诸多优势受到了越来越多的关注,已经成为国内外能源领域的研究热点,并有望成为“后石油时代”中新能源的主力军。然而,燃料乙醇的产业化依然面临许多挑战。目前,工业生产燃料乙醇主要使用粮食淀粉(玉米、小麦等)、甘蔗以及其它富含糖类的原料,处于“与人争粮”的窘境之中,从长远角度来看难以实现可持续的发展。在备选的生产原料中,木质纤维素不但来源广泛,而且其生产燃料乙醇的过程本身可有效地缓解环境污染,从而倍受全球能源研究领域的关注。在我国,玉米秸秆纤维素原料的来源非常丰富,通过纤维素酶催化生产燃料乙醇的研究具有广阔的应用前景。本论文针对目前木质纤维素生产燃料乙醇过程中存在的生产成本过高以及纤维素原料到燃料乙醇的转化率较低等问题,对玉米秸秆生产燃料乙醇的工艺流程进行选择优化,在利用玉米秸秆生产燃料乙醇的同时,充分考虑其它副产物资源的利用,并对此生产过程进行了技术经济分析；此后,在原料成分分析的基础上,我们进一步开发了木质纤维素原料玉米秸秆及玉米芯与玉米淀粉混合作为原料的新型发酵工艺,并分别对其进行了初步的实验优化和技术经济分析,以期为木质纤维素燃料乙醇工艺提供科学指导与技术支撑。首先,考察了以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的工艺流程,对年产5万吨燃料乙醇的生产工艺进行了技术经济和敏感性分析。蒸馏能耗分析表明,当发酵醪中乙醇浓度高于4%(ω)时蒸馏的能耗比较低；年产5万吨燃料乙醇的直接固定成本约1.37亿元,乙醇的最低成本为8425元/吨；该工艺能副产3.75万吨CO2和215吨杂醇油,可带来额外收益2386万元。经济敏感性分析表明,纤维素酶价格对生产成本的影响较显著,副产物CO2的回收利用可明显增加收益；对工艺中各个过程之间进行能量集成有望降低成本；此外,随着纤维素乙醇产业化进程的推进,生物炼制过程的成本可进一步降低。其次,探索了以玉米秸秆和淀粉糖浆混合物为原料进行发酵产乙醇的可行性。对玉米秸秆中木质纤维素的含量进行了测定,并优化了玉米秸秆的预处理工艺。此后,通过实验比较了以玉米淀粉、玉米秸秆以及两者混合物为原料的发酵工艺。结果表明,混合原料发酵的乙醇产量高达66.4g/L,远高于其它两条工艺路线,因此以玉米淀粉糖浆和玉米秸秆混合物为原料发酵产乙醇的第1.5代燃料乙醇的关键过程是可行的。在此基础上,对上述三种工艺路线进行了单位生产成本估算,其中玉米秸秆和混合原料发酵的工艺成本比较接近,表明以混合原料取代玉米淀粉发酵,从而在一定限度内避免“与人争粮”的窘境是完全可行的。再次,还探索了以玉米芯和淀粉糖浆混合物为原料进行发酵产乙醇的可行性。对酸解前后玉米芯木质纤维素的含量进行了测定,结果表明酸解预处理后的玉米芯纤维残渣在化学组成上发生了一定的变化,其中半纤维素含量变化较大,由41.5%降低到7.7%,木质素含量变化不大,由7.8%变为11.6%。此后,优化了玉米芯的酶解条件,并在此基础上对以玉米淀粉糖浆、玉米芯以及两者的混合物为原料发酵产乙醇的生产工艺进行了初步探索,玉米芯混合原料酶解后还原糖浓度为198.62g/L,葡萄糖浓度为87g/L,发酵产生乙醇浓度为50.86g/L,比玉米淀粉糖浆得到的乙醇浓度提高了5.3%。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ223.122

【引证文献】