甘蔗渣纤维素乙醇的浓醪糖化发酵工艺建立与强化

发布时间：2020-07-11 06:08

【摘要】：生物燃料乙醇具有可再生性、碳中性(carbon-neutral)等优势,已成为最具潜力的绿色能源之一,受到中外研究者的广泛关注。但是,就目前发展水平来说,纤维素乙醇产量还难以达到纤维素乙醇经济蒸馏要求(乙醇浓度40 g·L~(-1),发酵效率1 g·L~(-1)·hr~(-1))。基于此,本论文尝试在低酶载量条件下开展木质纤维素原料浓醪糖化发酵的研究,以期实现纤维素乙醇高产。具体研究内容如下:首先,本论文开展基质批次半同步糖化发酵产乙醇的研究。通过对影响酶解发酵的多个因素进行单因素选择和正交试验,本论文最终确定:碱催化常压甘油预处理甘蔗渣在浓度15%、酶载量6 FPU·g~(-1)干基、30 mg·g~(-1) Tween 20、酵母提取物16 g·L~(-1)、接种量10%(v/v)、温度39℃、转速150 r·min~(-1)和发酵初始pH 4.8条件下进行纤维素乙醇半同步糖化发酵。在该条件下,基质预酶解48 hr时葡萄糖浓度为76.5 g·L~(-1),酶解率达到81%;此时接种发酵48 hr乙醇产量为36.8 g·L~(-1)。接着,本论文遵循“高基质浓度、低酶载量”原则开展对纤维素乙醇浓醪糖化发酵过程的研究。为了有效运行分批补料式半同步糖化发酵工艺,对分批补料的关键参数(初始基质浓度、补料时间点、补料量和补料次数等)进行优化。最终确定初始基质浓度为18%,在酶解第12 hr、18 hr、24 hr、30 hr分别补加相当于总基质浓度4%、5%、4%、4%的干基。这样,实验通过分批补料方式达到35%总基质浓度的酶解发酵。预酶解48hr时葡萄糖浓度达到122 g·L~(-1),酶解率为57%;此时接种发酵72 hr的乙醇产量达到59g·L~(-1),纤维素-乙醇转化率是54%。最后,为了进一步提高纤维素乙醇发酵水平,论文通过多种策略(添加多种辅酶、延长预酶解时间、变温发酵、添加牛血清白蛋白、采用机械搅拌混匀酶解等)强化高基质浓度糖化发酵。实验最终获得最佳条件:在前期优化得到的条件基础上添加内切木聚糖酶蛋白0.7 mg·g~(-1)干基、牛血清白蛋白15 mg·g~(-1)干基和溶解性多糖单加氧酶家族中的Auxiliary Activity 9(AA9)蛋白0.1 mg·g~(-1)干基,采用机械搅拌代替摇床震荡。在该条件下进行总基质浓度为35%的分批补料式半同步糖化发酵,预酶解48 hr葡萄糖和木糖浓度分别达到153.5 g·L~(-1)和56.1 g·L~(-1),此时接种发酵72 hr时乙醇浓度高达75.1 g·L~(-1),纤维素-乙醇转化率为68.5%,发酵强度1.0 g·L~(-1)·hr~(-1)。通过本论文工作,实现了低纤维素酶载量条件下的纤维素乙醇发酵,为当前纤维素乙醇工业化提供借鉴。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ223.122;TQ920.6
【图文】：

技术路线图,木质纤维,技术路线,原料

图 1-1 木质纤维原料生物炼制技术路线g.1-1 Technical route of biofuel refinery of Lignocellulosic mate料首先通过酸或酶法水解产糖。酸法水解是直接利用，此方法有效且成本低廉，但对水解过程中温度和压[37]

酶解,干基,基质浓度,情况

-1干基的加量下进行72hr酶解实验，结果如下图3-1所示。图 3-1 酶解 48 hr 时不同基质浓度的酶解情况Fig.3-1 Hydrolysis of different substrates at 48 hr(a)：加酶量 10 FPU·g-1干基条件下不同浓度基质的酶解情况；(b)：加酶量 6 FPU·g-1干基条件下不同浓度基质的酶解情况实验发现，基质浓度越大酶解率越低，二者存在负相关性。从图 3-1(a)中得知，在加酶量 10FPU·g-1干基条件下，不同基质浓度的底物均呈现出较好的酶解效果，低于 15%基质浓度时，酶解率达 90%以上。当基质浓度是 15%时，酶解 72hr 时酶解率为 88.7%。从图 3-1(b)可得，在较低酶载量 6 FPU·g-1干基条件下，基质浓度低于 12%时

同步糖化发酵,方式,基质酶,乙醇

图 3-4 考察不同发酵方式对乙醇浓度的影响Fig.3-4 Verify the effect of different fermentation type on ethanol fermentation(a)：同步糖化发酵对乙醇产量的影响；(b)：半同步糖化发酵对乙醇产量的影响结果证明在不同加酶量条件下该实验所用基质酶解所产葡萄糖糖均可被酵母菌

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