玉米秸秆纤维乙醇联产转化过程及机理研究

发布时间：2020-10-11 23:08

　　 以秸秆为原料生产车用燃料乙醇,不但可缓解秸秆直接焚烧带来的大气污染问题,还可降低汽车尾气排放,改善我国能源消费结构。通过深入研究预处理方法对秸秆转化乙醇过程及机理的影响,优化纤维乙醇转化工艺。同时将残余废液和废渣进行资源化利用,可显著提高能量和原料利用率,为纤维乙醇产业化应用提供理论指导和技术借鉴。本研究针对玉米秸秆原料,主要比较了不同稀酸(包括乙酸、硫酸和磷酸)浸渍蒸汽预处理(即蒸汽爆破预处理)对物料得率、糖组分回收率及同步糖化发酵乙醇得率的影响,研究了高固形物浓度发酵和戊糖己糖共发酵技术,并对两条纤维乙醇转化工艺流程产物得率、能量回收率进行了分析,最后还对醇电联产过程进行了技术经济分析。主要得到如下结论：1.蒸汽预处理使秸秆中的半纤维素含量显著降低,受温度及酸浓度的影响比较明显。通过探究发酵抑制物的形成途径和比较预处理过程中发酵抑制物浓度时发现,随着预处理强度的不断增强,预处理液中发酵抑制物浓度不断提高。其中浓度最高的是乙酸,最高可达到8-9 g/L。除了乙酸,还有部分糠醛和5-羟甲基糠醛。磷酸浸渍蒸汽预处理过程中产生了较多的糠醛,但乙酸产量相对较少。2.在考察糖组分得率时发现,葡萄糖主要由酶解转化得到,木糖大部分在预处理阶段得到。磷酸预浸渍后蒸汽预处理玉米秸秆具有最高的葡萄糖总得率,最高达到92%,但木糖得率较低；0.2%硫酸和1.0%乙酸浸渍样品葡萄糖得率可达80%左右,同时木糖得率也超过70%的；其中0.2%硫酸浸渍蒸汽预处理洗涤后样品,木糖最高得率超过了90%。3.通过比较洗涤与未洗涤蒸汽预处理物料的同步糖化发酵效果发现,洗涤后样品乙醇得率高于未洗涤样品,且发酵产乙醇速率更快。在相同蒸汽预处理条件下(200℃保温10 min),硫酸浸渍洗涤后样品具有最高理论转化率,达到80.8%；磷酸预浸渍蒸汽预处理未洗涤样品可获得28.4 g/L的最终乙醇浓度,是各样品中发酵液乙醇浓度最高的。4.通过对纤维乙醇转化过程中副产物比较分析发现,未洗涤样品的发酵液中乙酸和乳酸浓度远高于洗涤样品。发酵副产物乙酸的浓度与发酵过程pH密切相关,发酵液中乳酸浓度一般都低于乙酸浓度。硫酸浸渍未洗样品在pH 5.0发酵24 h得到7.7g/L乙酸和2.6 g/L的乳酸,为各样品最高。5.高固形物浓度发酵可以提高最终发酵液中的乙醇浓度,但乙醇得率会有所降低。20%固形物浓度可获得49.9 g/L的乙醇浓度,乙醇得率为理论值得68.6%,而12.5%的底物浓度发酵时乙醇得率可达82.7%。利用可降解戊糖菌株KE6-12(由菌株S.cerevisiae TMB3400诱变和驯化得到),以蒸汽预处理后未洗涤玉米秸秆为原料,在pH 5.5,30℃条件下,通过补料添加策略,发酵144h后发酵液中乙醇浓度为27.6g/L,为理论转化率的78%,有效提高了菌株对戊糖的利用效率和乙醇生产效率。6.对两条纤维乙醇转化工艺流程产品得率、能量回收率进行比较,工艺流程1中将预处理后样品进行洗涤,固体部分用于同步糖化发酵,液体部分与发酵蒸馏后残液分别进行厌氧发酵；工艺流程2将预处理样品直接进行同步糖化发酵,发酵液蒸馏后残液单独厌氧发酵。结果发现,工艺流程1无论在沼气产量还是在产物总能量回收率方面都要高于工艺流程2。乙酸浸渍样品工在艺流程1中得到最高的沼气产量,达11.6 g/100g-秸秆,并得到了最高的88%的能量回收率。通过Aspen Plus建模对秸秆醇电联产工艺进行经济技术分析,年产3万吨乙醇的工厂配套30MW的生物质发电厂以工艺流程1进行生产时,乙醇的生产成本最低,达到4.9元／升,同时可以带来显著的社会和环境效益。论文中首次报道了纤维乙醇转化同沼气发酵、木质素燃烧发电有机结合,实现分级转化综合利用的工艺技术路线,并对转化过程进行技术经济分析；在同步糖化发酵基础上开发了六碳糖和五碳糖共发酵菌株、高底物浓度发酵及分批补料发酵工艺等。
【学位单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ223.122
【部分图文】：

１９８４）。纤维素分子内和分子间具有大量的氨键存在，同时具有结晶结构和结晶结构。纤维素分子长链中有一部分排列整齐、分子链取向良好，具有清晰的Ｘ线图，这部分被称为结晶区，另一部分排列无秩序，分子链取向较差，这部分被称无定形区。纤维素大分子的结晶结构在一定程度上会影响纤维原料的酶解过程??（Ｒａｍｏｓ?２００３）。??

本研究Ｗ玉米梧杆为原料，针对纤维己醇转化过程中的预处理、酶水解、发酵等??关键技术，进行纤维己酵联产转化过程及其机理分析，并对其综合利用技术进行探讨，??基本研究内容及技术路线如图１－２所示。主要研究内容包括：??（１）

最多的催化剂。本课题也尝试＾文稀硫酸作为预浸溃试剂，并对比了化２％硫酸和０．５％??硫酸浸溃物料在不同蒸汽预处理条件下对枯杆组分产生的影响。稀硫酸浸溃玉米程杆??蒸汽预处理后物料组分变化如图２－２所示。??７０?ｉ?得奎Ｉ￣￣Ｉ半维輸??＇?＼麵＼?ＶＴＴＡｍｍ??６０－?＼???＂?＂＼画Ｉ?Ｉ木质素??ｉｉｉｉ??１９｛ＴＣ?２００°ｃ?２１０，Ｃ?１８〇ｒ?ｉ９〇ｒ?２０〇ｒ?１９０°Ｃ?２００‘Ｃ?２１０‘Ｃ?１９０°Ｃ?２００°Ｃ?２１０’Ｃ??５?ｍｉｎ?５?ｍｉｎ?５?ｍｉｎ?ｌＯｍｉｎ?ｌＯｍｉｎ?ｌＯｍｉｎ?５?ｍｉｎ?５?ｍｉｎ?５?ｍｉｎ?ｌＯｉｎｉｎ?ｌＯｍｉｎ?ｌＯｍｉｎ??０．２％硫酸浸溃?０．５％硫酸浸溃??图２－２硫酸浸溃玉米稻杆蒸汽巧处理后物料組分变化??Ｆｉｇ．?２－２?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｖａｒｉａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｓｔｅａｍ?ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ?ｃｏｍ?ｓｔａｌｋ?ｗｉｔｈ?Ｈ２ＳＯ４??ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ??从图２－２可Ｗ看出，硫酸浸溃后物料得率要较相同条件下水浸溃物料得率低。在??化２％硫酸浸溃条件下，玉米稻杆在１９０?ｒ保温５?ｍｉｎ，得率达到６６．１％，而在２１０?Ｃ保??温５?ｍｉｎ后得率降至５５．６％。同样延长保温时间，也导致了得率降低。１９０?°Ｃ条件下保??媪１０?ｍｉｎ后物料得率降至了６５．０％，而２００?°Ｃ保温１０?ｍｉｎ后物料得率降至了６２．２％。当??预浸溃液硫酸浓度提高至０．５％时，得率降低更为严重，１９０?Ｃ保温５?ｍｉｎ后物料得率??降至６０．８％

本文编号：2837257