纤维素乙醇及乳酸耦合炼制过程与机理研究

【摘要】：木质纤维原料是规模生物炼制的潜在原料,目前以纤维生物炼制过程成本较高。本论文以糠醛渣(FR)、木薯渣(CR)两种工业废弃物为主要原料,以玉米作为辅助原料,通过生物方法转化为乙醇和乳酸(本文中均为L(+)-乳酸),开发混合原料和产品联产两种策略来提高过程效率和过程经济,从木质素、纤维素酶和发酵微生物相互作用出发探讨相应的促进机理。主要结论如下： FR为原料采用混菌发酵方式联产乙醇和乳酸,乙醇在54h前生成。产品组成受温度和底物浓度影响,温度、底物浓度和接种质量比都会影响纤维素转化率。混菌发酵能取得较高纤维利用率,9%FR经过混菌发酵120h,得到乙醇9.02g/L和乳酸18.9g/L,酸醇摩尔比1.07,纤维素利用率86.8%。混菌发酵需要添加额外营养,序列发酵混合原料,在乙醇发酵和乳酸发酵之间加入一定处理能实现零化学品消耗联产。序列发酵120h,得到乙醇22.4g/L和47.6g/L乳酸,比混菌发酵提高148%和152%,酸醇摩尔比1.08,多糖利用率86.9%。 脱除木质素和添加表面活性剂都能降低木质素的负面影响。碱性过氧化氢脱除FR木质素,脱除度80.2%,乙醇转化率提高最高(72.1%),脱除度37.3%,乳酸浓度提高最高(48.5%)。皂荚皂素具有比合成表面活性剂更高价效,利用酵母制得的蛋白类表面活性剂具有生物兼容性。酵母在121℃下处理30min,酵母64.4%氮、83%碳水化合物保存在固相中(YHS),仅有2.3%氮溶于液相(YHL)。YHL的溶质主要是具有和纤维素酶分子量相近的非催化蛋白质,这些蛋白易于被木质素吸附,其和纤维素酶形成的竞争性吸附是YHL酶促机理。糠醛渣水解体系中,最佳蛋白用量是11.8-23.5mg/g糠醛渣,该用量下每克木质素至少吸附0.63mgYHL氮,提高酶水解率14.4%。 木质素、纤维素酶和发酵微生物存在以下相互作用：酵母对纤维素酶影响不大,乳酸菌会消耗纤维素酶,木质素和营养物质会缓解乳酸菌对纤维素酶的同化。苯环类抑制物对乳酸菌的抑制作用大于酵母。活酵母和活乳酸菌对彼此都会产生竞争,死酵母是乳酸菌的营养来源,二者虽然不代谢对方的发酵产品,但是各自代谢产品会抑制对方发酵活力。 混合原料能极大提高转化率和产品浓度,过程主要影响因素取决于产品种类。混合原料乙醇过程底物比是过程主要影响因素。优化条件下,混合原料乙醇发酵乙醇浓度66.0g/L～73.1g/L,多糖利用率73.3%～90.3%。混合原料乳酸发酵,营养添加、底物比和碳氮比都是过程主要影响因素,可行的营养来源是水热处理酵母细胞。当碳氮比介于20-63时,乳酸浓度40.7g/L～79.5g/L,多糖利用率81.5%～87.1%。