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《天津科技大学》 2002年
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燃料乙醇固态发酵生产工艺的研究

王瑞明  
【摘要】: 由于能源、环境的潜在危机,燃料乙醇已经成为世界各国重点研究和推广的能源课题之一,在我国以乙醇代替汽油或部分代替汽油驱动机动车辆,农用机械也势在必行。本文以玉米秸秆和玉米为原料,采用固态基质的乙醇发酵与CO_2循环气提耦合和固态基质的乙醇连续蒸馏工艺。由于该工艺产生的酒糟为含水量较低的固体材料,直接干燥后生产饲料,无有机物排放,因此称为清洁生产工艺。本文就该工艺过程所要求的条件,菌种、以及有关设备进行了研究,主要研究结果如下: 1.首先,对在固态淀粉质材料中发酵乙醇的酵母进行了研究并选育了适合固态基质发酵条件的耐酸、耐高温酵母N62。该酵母的主要性能特征为:最适pH4.2,最大乙醇发酵能力132g/L,最适发酵温度34.5℃。初步鉴定为酿酒酵母(saccharomvces cerevisiae)。 固态基质淀粉质原料乙醇边糖化边发酵工艺(SSF),最优化条件为:糖化酶用量175 U/g原料,发酵温度34.5℃,发酵时间6d,淀粉的浓度21%,固态基质中的水分含量65%,淀粉利用率为89%。 2.从牛圈的土样中选育了发酵木糖的酵母菌T_(021),该菌株的特性为:分类学定义为奥默毕赤氏酵母(Pichia ohmeri),最低乙醇抑制浓度140g/L,最适发酵温度33-34℃,发酵80g/L的木糖,转化率为0.159(g Eth/g Xylose)。 3.在本研究中玉米秸秆的作用有两个:一是将玉米秸秆进行预处理,纤维素和半纤维素部分水解,转化成可发酵性糖,然后纤维素酶与能发酵木糖和发酵葡萄糖的酵母菌对纤维素进行SSF发酵生产乙醇,二是玉米秸秆经过发酵后的残渣作为淀粉质材料乙醇固态发酵的填充料,以降低淀粉浓度,增加固态基质的通透性,有利于发酵过程的传质传热,有利于固态基质乙醇的连续蒸馏。 玉米秸秆的预处理条件:水解温度、水解时间、硫酸浓度、固形物含量等因素都对秸秆的水解产生影响。硫酸浓度的影响最大,其次为水解温度、水解时间、固形物的影响较小,粒度也是影响玉米秸秆水解的因素,但影响最小。为此选择的工艺条件为:硫酸浓度0.8%,水解温度121℃,水解时间60min,固形物含量25%。 玉米秸秆粉SSF乙醇发酵条件:发酵温度33℃,发酵时间5天,入池pH值4.5,纤维素酶浓度25 IFPU/g原料。乙醇醅中乙醇浓度达2.84%,玉米秸秆的乙醇转化率为11.36% 4.由于固态发酵微生物生长的环境与液态发酵有显著的不同,微尘物生长及代谢有较大的差异。乙醇的积累、pH、溶解氧和底物浓度都是影响发酵过程规律的因素。为此本研究建立了固态基质乙醇发酵动力学模型。 固态淀粉质原料乙醇发酵的动力学模型: 摘 要 【血0二76 XSXS ldt 0石68X +l.1465+0刀02P fan。^。。 & t——=18385221一4367.97X ldt dt(1) D 血,___力。办 二一一6.226二一1刷工一3.254X ldt dt dt IX。,、二0.5、Rt。=16.S,,、=320 木质纤维素乙醇发酵的动力学模型: J eeo刀61人E I 血7.403X+o.378E十1刀26P I 咖____&____ I——=12.526——一0.387X(2) ldt dt idE__e___dD 【二一一3.把二一3.的4工一1.404X ldt dt dt t具中:*n=0.又&=30:凡一0 5.本文进行了固态淀粉质CO。气载乙醇发酵分离耦合过程的研究。以固态基 质材料发酵乙醇,利用发酵过程中由酵母产生的COZ作为循环载气,将载气 在冷凝器中冷却分离乙醇与气体,降温后的COZ重新加压返回固态基质反应 器中,使固态基质反应器的温度有一定程度的降低,从而探讨解决大规模固 体厌氧发酵温度的控制问题。 淀粉质 COZ气载乙醇分离耦合固态发酵工艺条件:淀粉含量 21.5%,玉米 秸秆粉 10%,水分 55%,100oC蒸煮 60min,降温后加糖化酶 175 U哈原料, 液体耐酸酵母接种量 5%(细胞浓度 SX10、 屿),发酵期温度 3435aC,发 酵时间6d。 6.固态基质乙醇连续蒸馏设备的设计计算与操作条件确定,固态基质乙醇 连续蒸馏设计与计算既要考虑常规蒸馏的理论又要将固态基质作为填料来考虑, 因此固态蒸馏塔的设计中引入填料塔的理论。 在固态基质中的乙醇浓度达到909从g的条件下,六块塔板就可使汽相中 的乙醇浓度达到60%(V)。
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