干法生物炼制技术生产高浓度纤维素乙醇的同步糖化与共发酵研究

发布时间：2019-04-16 09:08

【摘要】：利用干法生物炼制技术(DMBP)生产纤维素乙醇具有低能耗、低水用量、低废水产生的优点,能够实现木质纤维素生物炼制效率的最大化。干法生物炼制过程中每一步操作都是在高生物质固含量的条件下进行的,具体来说DMBP技术首先是从高固含量的干式稀酸预处理(DDAP)开始,70%(w/w)固含量的初始木质纤维素原料经过干式稀酸预处理变成了固含量为50%(w/w)的物料,在预处理过程中水(蒸汽)的消耗极低且无废水产生;预处理后的木质纤维素物料进行下一步的干法生物脱毒技术以快速、完全的去除主要抑制物,在这一过程中无需水的输入也不会产生废水。然后利用经过干式稀酸预处理以及固态生物脱毒后的物料在高固含量的条件下(25%-35%)进行同步糖化与共发酵(SSCF)。为了提高纤维素乙醇对于玉米乙醇的竞争力,必须进一步提高乙醇的发酵浓度和得率,并选择高性能、低成本的商业纤维素酶。本文第一部分选取了五种不同来源的木质纤维素原料,包括农业废弃物类型的玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆,制糖工业废弃物类型的甘蔗渣,林业废弃物意大利白杨木屑分别进行干法生物炼制生产纤维素乙醇。在最优的预处理和生物脱毒条件下,以Saccharomyces cerevisiae DQ1 为发酵菌株,在 30%固含量,15 FPU/g DM(DM:干物料)的酶用量下五种原料玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣、木屑的乙醇产量为56.8 g/L、58.5 g/L、65.4 g/L、64.5 g/L、54.7 g/L。这五种原料虽然存在着较大的不同但都能满足工业化应用过程中高浓度发酵的需要,这为之后的商业化生产纤维素乙醇提供了广泛的原料来源以及地域范围。本文第二部分研究以五种木质纤维素原料进行同步糖化与共发酵生产纤维素乙醇,预处理后的物料中含有大量的木糖,Saccharomyces cerevisies XH7是一株能够利用木糖的菌株。最终通过优化发酵条件,获得了超高的纤维素乙醇浓度:经过预处理和生物脱毒后的麦秆在35%(w/w)固含量、15mg protein/g cellulose的酶用量下得到了101.1g/L(12.8%v/v)的超高乙醇浓度,且乙醇得率和木糖转化率分别为74.8%,73.9%;预处理、脱毒完后的玉米秸秆在30%(w/w)固含量、10mgprotein/gce1lulose的低纤维素酶用量下得到了最具经济效益的乙醇浓度85.1 g/L(10.8%v/v),且达到了较高的乙醇得率和木糖转化率分别为84.7%,87.7%。本文第三部分选取中国工业酶市场上三种主要的纤维素酶产品,评估了它们作为生物炼制过程中木质纤维素转化为高浓度乙醇生物催化剂的能力。三种纤维素酶分别为诺维信(北京)的CellicCTec2.0、蔚蓝(青岛)LLC4、#7(购买自中国工业酶生产商),运用标准的方法测定了三种纤维素酶的滤纸酶活、纤维二糖酶活、总蛋白含量。利用三种纤维素酶在高固含量、低酶用量的条件下进行酶解和发酵,虽然不同的酶水解效率有较大差异但是三种纤维素酶在合适的酶用量下都能有较好的乙醇发酵结果,总的来说不同的酶具有不同的活力、纤维素水解得率、乙醇发酵能力,而这三种工业纤维素酶产品都能够应用于纤维素乙醇商业化生产过程中。本论文通过上述研究,确定了干法生物炼制技术能够很好的以这五种木质纤维素原料进行纤维素乙醇的生产;此外通过同步糖化与共发酵达到了超高的纤维素乙醇浓度;确定了三种工业纤维素酶都能够应用于纤维素乙醇商业化的生产过程中。这些结果将为干法生物炼制技术生产纤维素乙醇产业化发展提供强有力的理论依据。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ223.122;TQ920.6

【共引文献】