氣載乙醇同步固態(tài)酶發(fā)酵稻草基質中傳輸與反應特性.pdf

1、隨著傳統(tǒng)化石燃料的日益枯竭及其使用過程中帶來的一系列環(huán)境問題，世界各國加大了對可再生、環(huán)境友好的新能源的研究。其中生物燃料乙醇以其一系列優(yōu)點得到了廣泛關注。當前廣泛使用糧食為原料生產燃料乙醇，這必將加劇世界糧食供應緊張的狀況。而纖維素是自然界中最為豐富的生物質資源，但大量秸稈等纖維素質原料采用就地焚燒或直接廢棄而未得到充分利用。因此，發(fā)展以纖維質原料為資源的生物乙醇轉化技術，兼得經濟、生態(tài)、環(huán)保、社會多重效益，對于解決人類面臨的經濟增長

2、和環(huán)境保護的雙重壓力，促進社會經濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護具有重要意義。
　　 木質纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質素構成，且纖維素被木質素和半纖維素所包裹，結晶度高。為此，需要對木質纖維素進行預處理，去除其中的木質素和半纖維素，提高纖維素對纖維素酶的吸附作用，強化酶解效率。同時由于還原糖對纖維素酶解過程和乙醇對酵母菌乙醇發(fā)酵過程具有明顯抑制作用，因此提出了氣載乙醇同步固態(tài)酶解發(fā)酵的方法。在這個體系內以載氣為流動相，填充床

3、內多孔介質為同步固態(tài)酶解發(fā)酵基質，構成了含有氣體流動和生化反應的多組分物質傳輸的復雜體系，其中酶解產生的還原糖被酵母菌快速消耗，發(fā)酵產生的乙醇由固定相向流動相擴散傳遞，由載氣將乙醇載出，實現了固態(tài)酶解和乙醇發(fā)酵的同步進行，消除了葡萄糖對酶解糖化作用的抑制和乙醇對乙醇發(fā)酵過程的抑制作用，極大地提高了纖維素轉化乙醇的效率。課題得到以下主要研究成果：
　　 ①對固態(tài)酶解反應條件進行了優(yōu)化。分別進行了基質含水量、酶解溫度、稻草目數及酶添

4、加量對實驗結果的影響，獲得了稻草秸稈為基質的固態(tài)酶解最優(yōu)反應條件：基質含水量為1 mL_/(g基質)、酶解溫度50℃、稻草目數為60以及酶的添加量為30 u/(g基質)。另外，對基質進行的熱重分析表明酶解后基質燃燒焓的減少是由于酶解作用導致的基質中纖維素含量的降低，酶解前后基質的失重臺變化表明由于酶解作用稻草秸稈基質的化學成分發(fā)生了一定改變。
　　 ②進行了預處理方式對固態(tài)酶解特性的影響研究。結果表明：NaOH，H2SO4，超聲

5、波預處理后秸稈顯微結構發(fā)生明顯改變，酶解后葡萄糖產量明顯提高，其中NaOH處理后酶解產糖量最高。因此，適當的預處理能破壞基質表面的完整性和由木質素、半纖維素構成的保護鞘，提高纖維素酶的吸附作用，增強纖維素酶的水解效率，明顯提高還原糖產率。
　　 ③研究了氣載條件下以葡萄糖為底物的酵母菌發(fā)酵動力學特性實驗。發(fā)現隨著發(fā)酵液中初始葡萄糖濃度的增大，酵母菌的對數生長期延長，同時生物量的濃度顯著提高，反應液中乙醇量呈逐漸增加的趨勢；但當初

6、始葡萄糖濃度增加至20％時，反應液中乙醇量增加較小，同時由于底物抑制作用，酵母菌在生長穩(wěn)定期的生物量濃度下降。建立了初始葡萄糖濃度為15％時的氣載乙醇發(fā)酵動力學模型，模擬了酵母菌濃度、溶液中乙醇量及底物消耗量關于時間的變化過程，模擬結果與實驗結果基本吻合。研究結果表明在氣載條件下當葡萄糖初始濃度為15％時酵母菌乙醇發(fā)酵性能最好，同時載氣能有效消除產物乙醇對酵母菌乙醇發(fā)酵的抑制作用。
　　 ④研究了氣載條件下填充床內稻草基質同步固

7、態(tài)酶解發(fā)酵特性實驗。結果表明，在基質濕度2 mL/(g基質)時填充床內稻草基質同步固態(tài)酶解發(fā)酵效果最佳；隨著載氣流量的增加，載出乙醇的量呈現先增加后減小的趨勢，載氣流量為30mL/(min)時候氣載乙醇效果最佳；隨著酵母液添加量增加，乙醇產量呈先增加后趨于平衡的趨勢，酵母液添加量為0.75mL/(g基質)時，乙醇產量達到最大。
　　 ⑤建立了氣載乙醇同步固態(tài)酶解發(fā)酵填充床內傳輸理論模型，獲得了不同操作參數下填充床內乙醇濃度分布規(guī)