乙醇發(fā)酵中多孔纖維素顆粒的消解變形與反應(yīng)特性.pdf

1、由于引起環(huán)境嚴(yán)重污染的化石能源日趨枯竭，作為環(huán)境友好型、可再生的新能源—燃料乙醇因其具有較高的辛烷值和良好的抗爆性，燃燒產(chǎn)物無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。當(dāng)前，燃料乙醇主要的生產(chǎn)原料是糧食作物，但這必將導(dǎo)致糧食更加緊缺。然而，利用自然界中最為豐富的、可再生的生物質(zhì)纖維素原料來(lái)生產(chǎn)燃料乙醇，可以有效地解決能源危機(jī)、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。
　　本課題構(gòu)建了一套新型的氣載乙醇固態(tài)同步酶解纖維

2、素顆粒發(fā)酵系統(tǒng)，該反應(yīng)體系內(nèi)存在復(fù)雜的生化反應(yīng)以及多組分熱、質(zhì)傳輸現(xiàn)象。在纖維素酶、纖維二糖酶以及纖維素構(gòu)成的可消解性多孔纖維素基質(zhì)顆粒內(nèi)，纖維素在纖維素酶和纖維二糖酶的作用下轉(zhuǎn)化為葡萄糖，葡萄糖在濃度差的作用下擴(kuò)散傳輸至顆粒表面；循環(huán)流動(dòng)的酵母菌液流經(jīng)可消解性多孔纖維素基質(zhì)顆粒表面，酵母菌在纖維素基質(zhì)顆粒表面逐漸吸附生長(zhǎng)并最終形成穩(wěn)定的酵母菌生物膜；顆粒內(nèi)生成的葡萄糖逐漸擴(kuò)散傳輸至酵母菌生物膜內(nèi)并逐漸被轉(zhuǎn)化為乙醇，生成的乙醇逐漸擴(kuò)散傳

3、輸至生物膜外表面；利用乙醇的易揮發(fā)性以及在濃度差作用下生成的乙醇被流經(jīng)顆粒表面的載氣-N2載出生物膜，并最終進(jìn)入乙醇收集器，被水吸收。該反應(yīng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了酶解與發(fā)酵反應(yīng)在固態(tài)條件下同步進(jìn)行，消除了葡萄糖對(duì)酶解過(guò)程的抑制作用；反應(yīng)生成的乙醇和二氧化碳被載氣及時(shí)載出反應(yīng)器，消除了產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵過(guò)程的抑制作用，同時(shí)載氣也帶走了發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的大量代謝熱，維持了反應(yīng)器內(nèi)的溫度恒定。同時(shí)，將纖維素基質(zhì)制備成顆粒狀，易于保持基質(zhì)的顆粒形狀，避免了填充床內(nèi)

4、嚴(yán)重的基質(zhì)坍塌現(xiàn)象，有利于載氣的流通和酵母菌在顆粒表面的生長(zhǎng)繁殖。因此本課題以稻草秸稈為原料探索了可消解性多孔纖維素基質(zhì)顆粒的制取方法，開(kāi)展了氣載乙醇條件下可消解性多孔基質(zhì)顆粒和多孔基質(zhì)顆粒填充床內(nèi)發(fā)酵反應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了可消解性多孔基質(zhì)顆粒以及顆粒填充床內(nèi)乙醇發(fā)酵傳輸特性的理論模型研究，得到以下主要研究成果：
　　1.通過(guò)比較不同固定化方法，選擇包埋法作為纖維素、纖維素酶以及纖維二糖酶的固定化方法；比較不同包埋載體的優(yōu)缺點(diǎn)

5、，選擇了海藻酸鈉、聚乙烯醇以及二氧化硅作為纖維素、纖維素酶以及纖維二糖酶包埋材料，含1％氯化鈣的飽和硼酸溶液為交聯(lián)劑；并在海藻酸鈉、聚乙烯醇以及二氧化硅的最佳配比為5:4:1時(shí)得到的可消解性多孔纖維素基質(zhì)顆粒機(jī)械強(qiáng)度高而且耐酸性強(qiáng)。
　　2.在基質(zhì)顆粒同步酶解發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著載氣流速的增加，基質(zhì)表面生物膜內(nèi)的乙醇濃度顯著降低，包埋顆粒內(nèi)乙醇發(fā)酵和酶解效率均得到提高，但載氣流速繼續(xù)增加，則載氣對(duì)生物膜產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，引起酵母

6、菌細(xì)胞死亡，生物膜部分脫落以及生物膜內(nèi)水分減少，最終導(dǎo)致顆粒酶解和乙醇發(fā)酵的效率顯著下降。因此存在最佳的載氣流速為0.85 cm/s，此時(shí)生物膜厚度以及乙醇得率最大。同時(shí)隨著補(bǔ)水間隔時(shí)間的增大，乙醇在液相中的傳輸阻力降低，引起其在液相中積累量減少，因此顆粒的發(fā)酵得到提高；但是補(bǔ)水間隔時(shí)間進(jìn)一步增大，補(bǔ)水量不足以維持顆粒的酶解發(fā)酵，最終導(dǎo)致顆粒的酶解發(fā)酵效率降低。結(jié)果表明每隔4 h為顆粒補(bǔ)充1 mL水乙醇得率最高。
　　3.在纖維素

7、基質(zhì)顆粒填充床同步酶解發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著載氣流量的增加，基質(zhì)表面生物膜內(nèi)的乙醇濃度梯度增大，包埋顆粒填充床乙醇發(fā)酵效率得到提高；但載氣流量繼續(xù)增加，則載氣對(duì)生物膜產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，引起生物膜部分脫落和生物膜內(nèi)水分減少，導(dǎo)致填充床內(nèi)酶解和乙醇發(fā)酵效率的顯著下降。隨著纖維素酶添加量的增加，基質(zhì)顆粒內(nèi)的葡萄糖產(chǎn)量增大，包埋顆粒填充床乙醇發(fā)酵效率得到提高，但纖維素酶的添加量繼續(xù)增加，則纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖過(guò)程中產(chǎn)生大量的中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物對(duì)酶

8、解過(guò)程產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致填充床酶解和乙醇發(fā)酵效率下降。隨著酵母菌質(zhì)量濃度的增加，酵母菌生物膜內(nèi)的葡萄糖及時(shí)被消耗，提高了纖維素消耗量以及乙醇得率；但酵母菌質(zhì)量濃度繼續(xù)增加，酵母菌在顆粒表面形成的生物膜厚度也相應(yīng)增大，使得葡萄糖在酵母菌生物膜內(nèi)的傳質(zhì)阻力增大，導(dǎo)致葡萄糖在生物膜內(nèi)積累，降低了糖化和酶解效率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程得出最佳的操作條件為：載氣流量為30 mL/min，纖維素酶的添加量為0.5 mg/（g基質(zhì)）和纖維二糖酶的添加量為0.5 m

9、L/(g基質(zhì))，酵母菌質(zhì)量濃度為2%。
　　4.根據(jù)擴(kuò)散-反應(yīng)方程以及 Monod生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程建立了關(guān)于穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)、以及可消解變形條件下稻草基質(zhì)同步酶解發(fā)酵過(guò)程中的一維模型，研究了葡萄糖在包埋顆粒內(nèi)以及生物膜內(nèi)的濃度分布以及乙醇在生物膜內(nèi)的濃度分布。在此基礎(chǔ)上，研究了不同載氣流量以及酵母菌濃度對(duì)乙醇在填充床內(nèi)濃度分布的的影響。通過(guò)Fortran語(yǔ)言編程計(jì)算出的模擬結(jié)果表明，隨著載氣流量的增加乙醇產(chǎn)量呈先增大后減小的趨勢(shì)，載