亚硫酸氢镁预处理麦草制备燃料乙醇研究及过程模拟

【摘要】：本文围绕低能耗亚硫酸氢镁预处理(Magnesium bisulfite pretreatment,MBSP)麦草制备燃料乙醇工艺展开研究,对影响预处理能耗的关键因素进行了探讨,研究了亚硫酸氢镁预处理液组分对酶解和发酵制备乙醇的影响,最后在此基础上建立了一条低能耗亚硫酸氢镁预处理麦草制备燃料乙醇的工艺,并对该工艺进行了流程模拟,证实该工艺潜在的可行性。首先对影响亚硫酸氢镁预处理工艺能耗的关键因素如固液比、磨料方式及水洗比例等条件进行了优化。研究结果表明,亚硫酸氢镁预处理麦草的最优条件为固液比1:5(w/v),预处理后使用叩解机(PFI)磨料4 min,水洗比例(w/v)1:4。亚硫酸氢镁预处理麦草可在较低的固液比条件下实现木质素和半纤维素脱除,固液比主要通过移除木质素影响酶解效果;预处理后磨料相比于预处理前磨料不仅有效缩短酶解时间,且有利于固形物和纤维素的回收;预处理后水洗比例的提高可以有效促进酸溶木质素的脱除和可溶性降解产物的溶出。采用亚硫酸氢镁预处理麦草物料可不经脱毒直接用于酶解。预处理后水洗比例的提高不会影响亚硫酸氢镁预处理麦草的酶解效果。30 g/L未水洗亚硫酸氢镁预处理麦草(以纤维素含量计)酶解48 h酶解率为91.37%;提高底物浓度至50、70、90和100 g/L时,最大酶解得率分别为89.71%,86.11%,81.88%和78.82%,与水洗预处理麦草的酶解得率接近。探究亚硫酸氢镁预处理液组分对纤维素酶解影响发现,低用量预处理废液(低于4 g/L)对微晶纤维素和水洗亚硫酸氢镁预处理麦草酶解均有较好的促进作用,但过高用量(高于4 g/L)的预处理液对酶解抑制作用明显。亚硫酸氢镁预处理废液中木质素磺酸盐和低聚木糖(Xylo-oligosaccharides,XOS)是影响纤维素酶解的主效应物。高用量预处理废液返加因体系XOS含量较高,因此对酶解产生了明显地抑制作用。本研究对比了不同水洗比例下预处理麦草分步和同步糖化发酵乙醇的效果。结果表明,分步糖化发酵中,未水洗预处理麦草与水洗预处理麦草发酵效果接近;同步糖化发酵中,未水洗预处理麦草发酵效果略差于水洗预处理麦草,主要因为高浓度(高于2 g/L)的乙酸严重抑制了乙醇发酵。在实验研究的基础上,利用Aspen plus设计了年加工30万t麦草亚硫酸氢镁生物炼制乙醇工厂。对工艺能耗进行分析,发现产生的净能量为加工所用能量的1.05倍;对水耗分析,每生产1 t乙醇仅消耗2.21 t新鲜水;计算得最低乙醇出厂价格为$1.82/gal,该价格低于美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)模型的$2.15/gal,具有潜在的应用前景。