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气载乙醇同步固态酶解发酵稻草基质中传输与反应特性

冉尧  
【摘要】:随着传统化石燃料的日益枯竭及其使用过程中带来的一系列环境问题,世界各国加大了对可再生、环境友好的新能源的研究。其中生物燃料乙醇以其一系列优点得到了广泛关注。当前广泛使用粮食为原料生产燃料乙醇,这必将加剧世界粮食供应紧张的状况。而纤维素是自然界中最为丰富的生物质资源,但大量秸秆等纤维素质原料采用就地焚烧或直接废弃而未得到充分利用。因此,发展以纤维质原料为资源的生物乙醇转化技术,兼得经济、生态、环保、社会多重效益,对于解决人类面临的经济增长和环境保护的双重压力,促进社会经济的可持续发展和生态环境的保护具有重要意义。 木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素构成,且纤维素被木质素和半纤维素所包裹,结晶度高。为此,需要对木质纤维素进行预处理,去除其中的木质素和半纤维素,提高纤维素对纤维素酶的吸附作用,强化酶解效率。同时由于还原糖对纤维素酶解过程和乙醇对酵母菌乙醇发酵过程具有明显抑制作用,因此提出了气载乙醇同步固态酶解发酵的方法。在这个体系内以载气为流动相,填充床内多孔介质为同步固态酶解发酵基质,构成了含有气体流动和生化反应的多组分物质传输的复杂体系,其中酶解产生的还原糖被酵母菌快速消耗,发酵产生的乙醇由固定相向流动相扩散传递,由载气将乙醇载出,实现了固态酶解和乙醇发酵的同步进行,消除了葡萄糖对酶解糖化作用的抑制和乙醇对乙醇发酵过程的抑制作用,极大地提高了纤维素转化乙醇的效率。课题得到以下主要研究成果: ①对固态酶解反应条件进行了优化。分别进行了基质含水量、酶解温度、稻草目数及酶添加量对实验结果的影响,获得了稻草秸秆为基质的固态酶解最优反应条件:基质含水量为1mL/(g基质)、酶解温度50°C、稻草目数为60以及酶的添加量为30u/(g基质)。另外,对基质进行的热重分析表明酶解后基质燃烧焓的减少是由于酶解作用导致的基质中纤维素含量的降低,酶解前后基质的失重台变化表明由于酶解作用稻草秸秆基质的化学成分发生了一定改变。 ②进行了预处理方式对固态酶解特性的影响研究。结果表明:NaOH,H_2SO_4,超声波预处理后秸秆显微结构发生明显改变,酶解后葡萄糖产量明显提高,其中NaOH处理后酶解产糖量最高。因此,适当的预处理能破坏基质表面的完整性和由木质素、半纤维素构成的保护鞘,提高纤维素酶的吸附作用,增强纤维素酶的水解效率,明显提高还原糖产率。 ③研究了气载条件下以葡萄糖为底物的酵母菌发酵动力学特性实验。发现随着发酵液中初始葡萄糖浓度的增大,酵母菌的对数生长期延长,同时生物量的浓度显著提高,反应液中乙醇量呈逐渐增加的趋势;但当初始葡萄糖浓度增加至20%时,反应液中乙醇量增加较小,同时由于底物抑制作用,酵母菌在生长稳定期的生物量浓度下降。建立了初始葡萄糖浓度为15%时的气载乙醇发酵动力学模型,模拟了酵母菌浓度、溶液中乙醇量及底物消耗量关于时间的变化过程,模拟结果与实验结果基本吻合。研究结果表明在气载条件下当葡萄糖初始浓度为15%时酵母菌乙醇发酵性能最好,同时载气能有效消除产物乙醇对酵母菌乙醇发酵的抑制作用。 ④研究了气载条件下填充床内稻草基质同步固态酶解发酵特性实验。结果表明,在基质湿度2mL/(g基质)时填充床内稻草基质同步固态酶解发酵效果最佳;随着载气流量的增加,载出乙醇的量呈现先增加后减小的趋势,载气流量为30mL/(min)时候气载乙醇效果最佳;随着酵母液添加量增加,乙醇产量呈先增加后趋于平衡的趋势,酵母液添加量为0.75mL/(g基质)时,乙醇产量达到最大。 ⑤建立了气载乙醇同步固态酶解发酵填充床内传输理论模型,获得了不同操作参数下填充床内乙醇浓度分布规律。当载气流量从10mL/(min)增加到30mL/(min)时,填充床内出口处乙醇浓度从69.7g/m~3快速降到27.7g/m~3,而当载气流量增加到40mL/(min)时,乙醇浓度仅降到21.3g/m~3;而随着基质中酵母浓度的增加,填充床出口处乙醇浓度呈线性增加;而孔隙率对基质中乙醇浓度分布影响不大。


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