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造纸污泥单独糖化和酒精发酵的研究

李旭晖  
【摘要】: 探讨了以我国造纸污泥为原料,采用单独酶水解和酒精发酵工艺制备燃料乙醇的可行性。以造纸工业废弃物——造纸污泥为原料,利用商业纤维素酶将造纸污泥的主要成分(葡聚糖和木聚糖)转化为可发酵的糖,对酶解工艺进行了研究;然后分别以融合酵母和酿酒酵母作为发酵菌株,对酶水解产生的糖进行酒精发酵,对发酵工艺及融合酵母木糖利用情况进行了研究。 首先对来自3个不同造纸厂,两种不同处理工艺(脱墨和化学制浆)的三种造纸污泥的主要化学成分进行分析,结果表明由于制浆工艺的不同,三种污泥纤维素、半纤维素和灰分的含量有较大差异。脱墨污泥碳水化合物含量低,仅为34%,灰分含量较高,高达44%。采用化学制浆工艺的污泥PS3灰分含量低,仅为13%,纤维素和半纤维素含量较高,高达71%。 以Spezyme CP和Novozyme 188两种商用酶对造纸污泥进行酶水解的研究。结果表明化学制浆污泥比脱墨污泥更易于酶解。在同一条件下酶解时,化学制浆污泥酶水解后获得的糖化率高出脱墨污泥糖化率57%以上。 以污泥酶解的糖化率为指标,确定了造纸污泥酶水解的最适条件:pH值5,温度40℃,纤维素酶添加量为15FPU/g纤维素,Novozyme 188添加量为30U/g纤维素。以PS2为原料,在上述条件下,当初始底物浓度为2%(w/v,以总的碳水化合物的浓度来表示)时,水解72h,污泥糖化率可达到99.65%。当提高初始底物浓度至6.0%(w/v)并延长水解时间至144 h时,获得的总还原糖浓度比2%初始底物浓度时提高了2.7倍,葡萄糖48.58g/L,木糖10.74g/L,但糖化率下降到89.92%。 采用流加底物的方式,有利于造纸污泥的水解。当底物浓度为6%(w/v)时,分批补料酶解得率提高7.5%,纤维素酶的添加量由25FPU/g减少到15FPU/g,并且水解时间由144h缩短到120h。 分别利用融合酵母SHY07-1和酿酒酵母SHY08-3,以初始底物浓度为6% (w/v)的PS3污泥水解液为底物,在没有脱毒或营养补充的情况下,能够进行酒精发酵。以发酵产量和速率为依据,两种酵母对造纸污泥水解液进行酒精发酵的最适条件基本一致,即培养温度35℃,pH5.5。发酵72h,融合酵母SHY07-1获得的最大乙醇浓度为34.72g/L,比酿酒酵母SHY08-3获得的乙醇浓度(29.29 g/L)高18.5%。当融合酵母与酿酒酵母菌种量混合比例为2:1时,污泥水解液发酵72h,获得乙醇浓度(33.47g/L)最高,相应的转化率、乙醇生成速率分别为0.45g/g、0.46 g/(L·h)。


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