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《北京林业大学》 2013年
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硬质阔叶木木质纤维素乙醇发酵的研究

孙晓琦  
【摘要】:由于木质纤维素原料的天然结构紧密,不能直接用于燃料乙醇的生产,木质纤维素与半纤维素必须经过一系列的预处理和酶解过程,才能转化为微生物可直接发酵利用的单糖,并进行乙醇发酵。本论文针对以木质纤维素为原料的燃料乙醇生产过程中的预处理、酶解及发酵技术进行了系列研究,并对发酵过程中影响乙醇产量的菌株差异性、底物差异性以及氮源的影响进行了探讨。 重点讨论了稀酸和纯水两种不同的预处理介质在高温高压下,对杨树纤维素和半纤维素可利用量的影响,有机酸与无机酸两种不同的预处理介质在高温高压下,对枫树纤维素和半纤维素可利用量的影响,实现了针对不同木质纤维素原料的高效组分分离技术;基于不同预处理方式下,半纤维素转化为单糖的效率与预处理液中发酵抑制物对五碳糖的乙醇转化效率的影响;预处理方式、底物、酶浓度以及是否添加木聚糖酶对纤维素酶解效率的影响;从大肠杆菌和酿酒酵母菌单糖代谢机制出发,探究了其乙醇转化过程中,营养代谢、生长繁殖、乙醇转化关键酶基因表达量与乙醇产量的内在联系。最终,建立了一条基于不同原料来源的木质纤维素燃料乙醇生产工艺路线,为提高我国木质纤维素乙醇的研究水平及高值化利用,具有一定的推动作用。 主要研究结果如下: 1.三倍体毛白杨的纤维素和半纤维素的含量分别为45.3%(w/w)和16.3%(w/w),显著高于二倍体毛白杨。在最佳的稀酸预处理条件下,预处理液中木糖含量为19.24g/L,葡萄糖含量3.84g/L,过水解处理分析,预处理液中仅含有微量聚糖;在最佳的纯水预处理条件下,预处理液中木糖含量为2.71g/L,葡萄糖含量0.20g/L,过水解处理分析,预处理液中含有大量聚糖。杨树预处理液采用单一菌株(K011)和混合菌株(D5A+K011)两种发酵方式,利用单一菌株发酵的乙醇理论产值为85.38%,利用混合菌株发酵的乙醇理论产量为80.2%。预处理后的纤维素其酶解度与纤维素酶浓度呈正相关,酸预处理固体材料的纤维素酶解度最高可达88.09%;纯水预处理固体材料的纤维素酶解度最高为81.08%。未添加木聚糖酶时,相同的纤维素酶浓度条件下,纯水预处理材料的纤维素酶解度显著低于稀酸预处理材料的酶解度。纤维素酶解液进行乙醇发酵,其中稀酸预处理材料的乙醇最高产量可达到理论产量的101.72%,纯水预处理材料的乙醇最高产量可达到理论产量的88.24%。 2.枫树纤维素含量与半纤维素含量分别为42.2%(w/w)和18.2%(w/w);有机酸和无机酸两种不同的预处理介质下,枫树半纤维素的单糖出率差别较小,无机酸预处理液中木糖和葡萄糖的含量分别是19.58g/L和4.53g/L,有机酸预处理液中木糖和葡萄糖的含量分别是19.90g/L和3.14g/L;过水解处理分析,无/有机酸预处理液中仅含有微量聚糖。无机酸预处理液的发酵抑制物(HMF和Furfural)高于有机酸预处理液,在未脱毒处理的条件下,无机酸预处理液的乙醇产量为理论产量的74.04%,而有机酸预处理液的乙醇产量达到理论产量的81.11%:预处理液中氮素的添加,使无机酸预处理液的乙醇产量提高到理论产量的85.26%,有机酸预处理液的乙醇产量提高到理论产量的93.92%。纤维素的酶解度与纤维素酶浓度呈正相关,无机酸预处理固体材料的纤维素酶解度最高可达92.38%,有机酸预处理固体材料的纤维素酶解度最高达到92.89%;木聚糖酶可提高枫树纤维素酶解率,但不显著;对纤维素酶解液进行乙醇发酵,其中无机酸预处理材料乙醇的最高产量可达到理论产量的95.63%,有机酸预处理材料乙醇的最高产量可达到理论产量的95.44%。 3.酿酒酵母D5A可迅速消耗浓度高达100g/L葡萄糖,无发酵抑制现象;35。C时D5A发酵活力最高,当发酵温度超过40。C时,发酵效率降低。大肠杆菌K011,发酵过程中,受发酵副产物乙酸的影响较大:以木糖为底物时,会出现二次生长现象;木糖浓度高于80g/L时,出现发酵抑制现象,发酵结束时有单糖残留;以葡萄糖为底物时,无二次生长现象,糖浓度高于40g/L时,即出现发酵抑制,发酵结束时有单糖残留。利用混合菌株进行以混合糖为底物的发酵,因最佳发酵pH值的差别,导致乙醇产率降低;补充氮素对菌株K011乙醇转化关键酶的表达有促进作用,最终提高乙醇产量。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TQ223.122

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【参考文献】
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