基于木質(zhì)纖維素能源作物預(yù)處理及發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇的過程強(qiáng)化.pdf

1、木質(zhì)纖維素乙醇因其各方面的優(yōu)勢(shì)得到廣泛研究，但原料收、儲(chǔ)、運(yùn)造價(jià)高，預(yù)處理能耗高，高固含量、不脫毒轉(zhuǎn)化乙醇效率低等問題，使得纖維素乙醇的轉(zhuǎn)化效益較低，大規(guī)模生產(chǎn)較為困難?；诖耍菊撐膹膹?qiáng)化纖維素乙醇預(yù)處理及轉(zhuǎn)化乙醇方面做了如下研究:
　　1、從原料角度出發(fā)，將柳枝稷、荻、蘆竹、雜交狼尾草與玉米秸稈做對(duì)比研究，篩選出適合轉(zhuǎn)化乙醇的優(yōu)勢(shì)能源作物。結(jié)果表明雜交狼尾草因高纖維素含量、低木質(zhì)素含量，乙醇轉(zhuǎn)化率高，以及原料年產(chǎn)量達(dá)60t·(

2、hm2)-1，基于稀酸預(yù)處理的乙醇得率計(jì)算出雜交狼尾草乙醇年產(chǎn)量為5(t·(hm2)-1)，遠(yuǎn)高于玉米秸稈以及其他三種能源草，被選為進(jìn)一步研究能源草轉(zhuǎn)化纖維素乙醇的原料。采用兩種預(yù)處理技術(shù)對(duì)能源草做預(yù)處理效果對(duì)比，結(jié)果表明蒸汽爆破技術(shù)是相對(duì)于稀酸預(yù)處理更適合能源草轉(zhuǎn)化纖維素乙醇的預(yù)處理技術(shù)。
　　2、從預(yù)處理的角度出發(fā)，為了提高雜交狼尾草轉(zhuǎn)化乙醇的效果，探索性的研究了稀酸-亞硫酸鹽聯(lián)合蒸汽爆破預(yù)處理(SEPSORL)技術(shù)。結(jié)果表明

3、，在蒸汽爆破預(yù)處理過程中稀酸單獨(dú)作用更利于去除半纖維素，亞硫酸鹽利于木質(zhì)素的去除，當(dāng)二者同時(shí)參與預(yù)處理過程時(shí)玉米秸稈和雜交狼尾草半纖維素的去除量分別為71.55％和78.38％，木質(zhì)素的去除分別為51.56％和33.97％，均介于二者單獨(dú)作用的去除效果之間。亞硫酸鹽還可以降低單獨(dú)稀酸預(yù)處理雜交狼尾草時(shí)抑制物的濃度。SEPSORL預(yù)處理后的物料進(jìn)行高固含量（20％ wt）不脫毒半同步糖化發(fā)酵(Q-SSCombF)乙醇得率為43.65％，高

4、于稀酸單獨(dú)預(yù)處理后的物料乙醇發(fā)酵得率(39.39％)。由于木質(zhì)素含量和亞硫酸鹽添加量的關(guān)系，二者同時(shí)作用時(shí)乙醇得率有待提高。
　　3、為了解決纖維素乙醇的預(yù)處理過程存在預(yù)處理強(qiáng)度不夠或過剩的問題，建立了動(dòng)力學(xué)模型，探討了聯(lián)合強(qiáng)度因子（CHF）作為預(yù)處理強(qiáng)度的因子對(duì)亞硫酸鹽蒸煮法(SPORL)預(yù)處理效果的預(yù)測(cè)作用。在不同化學(xué)試劑用量、溫度、時(shí)間條件下預(yù)處理?xiàng)钅?，結(jié)果表明CHF對(duì)預(yù)處理后半纖維素的剩余(XR)有良好的預(yù)測(cè)作用，二者關(guān)系

5、為XR=0.822e-CHF+0.178e-0.156CHF。CHF可以用于平衡糖得率與發(fā)酵抑制物生成，從而實(shí)現(xiàn)不脫毒高濃度乙醇發(fā)酵的目的。當(dāng)CHF=2，酶的用量為15FPU·g-1葡聚糖，固含量為20％ wt不脫毒發(fā)酵時(shí)，乙醇濃度可以達(dá)到41g·L-1（約27ml·kg-1未處理的木頭），十分具有商業(yè)潛力。
　　4、為了量化預(yù)估SEPSORL預(yù)處理雜交狼尾草的效果，避免能耗損失，建立了動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)SEPSORL預(yù)處理與SPO

6、RL預(yù)處理的共性以及其特性結(jié)合克拉佩龍方程得到表征其預(yù)處理強(qiáng)度的動(dòng)力學(xué)模型---聯(lián)合強(qiáng)度因子 CHFse的表達(dá)式為:CHFse=e(α-E(B-LnP)/Dh+βCA+λCB)(CA+CB)t。通過CHFse與木聚糖的剩余(XRse)的擬合得到雜交狼尾草預(yù)處理所需的最優(yōu)活化能為89.69kJ·mole-1。 CHFse對(duì) XRse有明顯的預(yù)測(cè)作用:XRse=0.78e-CHFse+0.22e-0.282CHFse。當(dāng)CHFse≈5，半纖

7、維水解的快速反應(yīng)結(jié)束，XRse≈θ≈0.22。XRse與糠醛、HMF的濃度線性負(fù)相關(guān)(R2＞0.9)。乙酸與XRse之間的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系(Conc.(AA)=0.9XRse-0.6），乙酸與HMF和糠醛線性關(guān)系稍弱(R2≈0.8)。半纖維素的去除比木質(zhì)素的去除更為關(guān)鍵，SED與XRse呈指數(shù)關(guān)系SED=28+221 exp(-XRse/0.04)。預(yù)處理后半纖維素的去除達(dá)90％以上，比未優(yōu)化前半纖維素的去除提高了20％。當(dāng)酶解效率為70

8、％，抑制物濃度在酵母可耐受范圍內(nèi)，為理論上可能實(shí)現(xiàn)雜交狼尾草乙醇轉(zhuǎn)化最大濃度的最佳預(yù)處理強(qiáng)度。
　　5、從產(chǎn)業(yè)鏈的角度出發(fā)，針對(duì)綜合利用不同廢棄工廠的預(yù)處理設(shè)備、發(fā)酵設(shè)備以提高乙醇擴(kuò)大化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化效益，采用熱轉(zhuǎn)化設(shè)備密實(shí)預(yù)處理后的物料來方便運(yùn)輸，同時(shí)評(píng)估其對(duì)乙醇轉(zhuǎn)化的影響。結(jié)果表明在110℃以下熱壓，熱壓造粒預(yù)處理后的物料，可以使其密實(shí)化。保水值(WRV)、纖維素對(duì)纖維素酶的可及性(CAC)與對(duì)照差別不大，角質(zhì)化程度低于0.26。

9、楊木NE222在110℃下熱壓后的物料與纖維素酶的結(jié)合量從1.9降到1.6 mg蛋白質(zhì)/g葡聚糖，但酶解72h時(shí)葡萄糖濃度差很小。在低于110℃下熱壓的物料，楊木18％的固體含量發(fā)酵時(shí)，熱壓對(duì)發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇的影響不大。
　　6、針對(duì)纖維素乙醇轉(zhuǎn)化過程中預(yù)處理的能耗浪費(fèi)、環(huán)境污染以及預(yù)處理后木質(zhì)素產(chǎn)生的酚類抑制物對(duì)釀酒酵母發(fā)酵帶來的不利影響，從能量共利用、乙醇-航油聯(lián)產(chǎn)的角度出發(fā)，利用化學(xué)法催化轉(zhuǎn)化蘋果木中木質(zhì)素部分轉(zhuǎn)化為航空燃油后的