稻草秸稈的預處理及生產(chǎn)乙醇的研究.pdf

1、纖維素生物質(zhì)作為一種來源廣泛、價格低廉的可再生資源，如果被用來生產(chǎn)液體燃料-乙醇，不僅可以減少化石能源的消耗而且可減少汽車尾氣中的有害成分，且大量用秸桿生產(chǎn)燃料乙醇可以避免其在農(nóng)田中大量直接焚燒，這都將大大減少引發(fā)全球氣候變化的溫室氣體的排放。本論文主要研究了稻草秸稈的化學、離子液體和羥氧自由基預處理技術(shù)，同時對稻草秸稈高濃度底物的同步糖化發(fā)酵以及半纖維素水解液的制備和發(fā)酵等方面也進行了較為全面的研究。本課題在能源問題和環(huán)境問題上均有一

2、定的理論和現(xiàn)實意義。
　　 用稀酸、石灰和氫氧化鈉等化學物質(zhì)對稻草秸稈進行了處理，2％NaOH預處理效果最好，121℃處理1h木質(zhì)素去除率達到88.9％，同時有38.7％的半纖維素被脫除，處理后的殘渣酶解60小時水解率高達96.1％，分離后的堿液可以重復利用2-3次，進而降低預處理的成本。
　　 對氫氧化鈉處理的秸稈殘渣進行了酶法水解，就其酶解動力學和機制以及酶解條件進行優(yōu)化。結(jié)果表明底物的酶解得率與木質(zhì)素的去除率有關(guān)，

3、纖維素酶系的組成對酶解具有重要的影響，酶系中因纖維二糖酶的不足會造成纖維二糖對整個酶解的反饋抑制，可通過補加纖維二糖酶解除這種抑制；獲得的最佳酶解條件為底物濃度80g/L，纖維素酶加入量20FPU/g底物，纖維二糖酶12CBIU，此時，48h酶解得率為86.7％。在此最優(yōu)的條件下，進行3L反應器實驗48h酶解得率89.3％。
　　 以糖得率并結(jié)合紅外分析稻草秸稈處理前后結(jié)晶指數(shù)的變化，篩選得到離子液體[EMIM]OAc，其對稻草

4、秸稈具有較好的溶解特性。對處理秸稈（重生的纖維材料）的性能研究表明，重生的纖維材料由于結(jié)晶纖維素向無定型纖維素的轉(zhuǎn)化，更易與酶形成酶與底物復合物，這種酶與底物復合物因酶與纖維素結(jié)合更為緊密而起到保護酶的作用，使纖維素酶能耐更高的溫度，并在這樣的溫度下水解纖維素提高酶水解糖得率；通過考察[EMIM][OAc]濃度對纖維素酶的影響，發(fā)現(xiàn)[EMIM][OAc]對纖維素酶具有較大的毒性，[EMIM][OAc]達到3M時，酶解液中基本上沒有糖。同

5、時，實驗結(jié)果說明稻草秸稈的水解與木質(zhì)素的去除和纖維素結(jié)晶度在一定范圍內(nèi)存在一定程度的對應關(guān)系，且木質(zhì)素去除率與纖維素的結(jié)晶度呈擬合的線性關(guān)系。FTIR、XRD和SEM對[EMIM][OAc]處理秸稈的結(jié)構(gòu)形態(tài)分析表明，稻草秸稈經(jīng)[EMIM][OAc]處理后有部分纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素Ⅱ或無定型纖維素。
　　 稻草秸稈用羥氧自由基處理，在Ox-B濃度、處理溫度和液固比等單因素實驗的基礎上，基于Box-Benhnken中心組合實驗設計原

6、理，利用Design-Expert7.0.0軟件進行實驗方案設計和數(shù)據(jù)擬合，得到羥氧自由基處理的最優(yōu)條件為：Ox-B濃度為21g/L處理溫度為57.2℃，液固比為40:1時。模型驗證實驗還原糖得率為94.5％，與預測值接近，表明實驗結(jié)果與模型預測結(jié)果沒有顯著性差異。羥氧自由基處理稻草秸稈的效果明顯，但是處理的稻草秸稈重量損失比較大。
　　 對稻草秸稈用稀酸稀堿結(jié)合處理，獲得纖維素含量為88.5％，木質(zhì)素含量只有4.5％的纖維素含

7、量豐富的底物，用耐高溫活性干酵母40℃同步糖化發(fā)酵濃度160g/L的底物，發(fā)酵液中乙醇濃度達到58.7g/L，超過了蒸餾對于纖維素酒精發(fā)酵液含量不得低于50g/L的要求，降低了纖維素酒精蒸餾階段的能耗；物料平衡衡算的結(jié)果是：0.175kg乙醇/kg稻草秸稈（干重）即1kg稻草秸稈（干重）通過稀酸稀堿處理后，殘渣同步糖化發(fā)酵得到0.125kg乙醇，結(jié)合半纖維素水解液的發(fā)酵所獲得的0.05kg，總共得到0.175kg乙醇/kg稻草秸稈（干重

8、）。
　　 休哈達假絲酵母(Candida shehatae1766)木糖發(fā)酵的基礎研究表明：該酵母在混合糖發(fā)酵時會優(yōu)先利用葡糖糖；在純木糖和混合糖相同糖濃度對比發(fā)酵中，兩者乙醇產(chǎn)量和糖利用率沒有太大區(qū)別，發(fā)酵72h乙醇濃度都為16g/L左右。休哈達假絲酵母(Candidashehatae1766)半纖維素酸解液發(fā)酵結(jié)果表明，該菌株在較低的pH下具有較好發(fā)酵性能；對沒有經(jīng)過脫毒處理的半纖維素水解液也具有較好的發(fā)酵性能，發(fā)酵72h