橡子淀粉酶水解和发酵制取燃料乙醇的研究

论文摘要

燃料乙醇是一种可再生的清洁能源,随着能源供应日趋紧张和生态环境不断恶化,发展燃料乙醇产业是当今各国开发替代石油的清洁能源的重中之重。因此寻求廉价易得的生物质原料发酵生产燃料乙醇成为国内外的研究热点。本论文研究了橡子淀粉的物理性质,优化了双酶法水解橡子淀粉制备水解糖液工艺,通过中心复合实验优化了嗜单宁管囊酵母发酵六碳糖的工艺,再利用优化后的工艺进行嗜单宁管囊酵母发酵水解糖液,并探讨了不同单宁含量对淀粉酶、糖化酶及嗜单宁管囊酵母的影响,以期为制取燃料乙醇提供新的发酵原料及新工艺。采用SEM图分析、X射线衍射分析及粘度分析,将橡子淀粉性质与应用于制取燃料乙醇较多的玉米淀粉、木薯淀粉的物理性质比较研究。通过对橡子淀粉与玉米淀粉、木薯淀粉的形态大小、结晶结构,糊化特性等物理性质的比较分析,得出橡子淀粉颗粒呈椭圆形,粒径较玉米淀粉、木薯淀粉小;结晶结构属C型,而玉米淀粉、木薯淀粉属于典型的A型晶体结构;糊化温度高于玉米淀粉和木薯淀粉,总体糊化特性与玉米淀粉相似。通过将橡子淀粉性质与玉米淀粉、木薯淀粉的物理性质比较研究得出:橡子淀粉性质决定了它也能应用于制取燃料乙醇。利用部分析因设计筛选双酶法水解橡子淀粉制备水解糖液的工艺。考察了液固比、淀粉酶用量、液化时间、液化温度、糖化酶用量、糖化时间、糖化温度七个因素对双酶法水解橡子淀粉的不同影响程度。通过分析,得出主要影响因素为淀粉酶用量、液化时间、糖化时间、糖化酶用量。并对这四个主要因素进一步进行正交实验优化。得出双酶法水解橡子淀粉制备水解糖液的最佳的工艺条件为:淀粉酶用量为50 U/g,液化时间为2h,糖化时间为2h,糖化酶用量为600 U/g。此条件下的橡子淀粉DE值为58.15 %。采用四因素三水平中心复合实验法优化嗜单宁管囊酵母(Pachysolen tannophilus)发酵生产乙醇的条件,根据实验数据拟合建立了关于乙醇浓度随发酵时间、接种量、转速、发酵温度等因素变化的数学模型。根据该模型进行了工艺参数的优化,以乙醇浓度为指标,实验所得的嗜单宁管囊酵母发酵生产乙醇的优化工艺条件为:发酵时间68 h,接种量6 %,转速120 r/min,发酵温度32℃。该条件下乙醇产量为20.58 g/L,残葡萄糖浓度为0.119 g/L。并对模型进行了检验,验证了数学模型的有效性。采取常规水浸提法脱除橡子中的单宁,分析不同的提取次数并测量其中的残余单宁含量。随着浸提次数的增加,浸提时间的延长,单宁含量逐渐减少。利用优化后的双酶水解工艺水解含不同单宁残余量的橡子淀粉,随着提取次数的增加,葡萄糖浓度整体呈上升趋势,单宁对淀粉酶、糖化酶存在一定的抑制作用。分别以嗜单宁管囊酵母和酿酒酵母为出发菌株,利用优化后的嗜单宁管囊酵母发酵工艺发酵水解液,通过两菌种的发酵比较得出:单宁整体对嗜单宁管囊酵母和酿酒酵母的发酵作用都有一定的抑制作用;单宁对酿酒酵母的抑制作用强于嗜单宁管囊酵母,嗜单宁管囊酵母对单宁的耐受性高于酿酒酵母。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 国内外研究现状及评述
• 1.1.2.1 燃料乙醇研究现状及评述
• 1.1.2.2 橡子淀粉研究现状及评述
• 1.1.2.3 橡子中单宁的研究现状及评述
• 1.2 研究的主要内容、重点解决的问题及预期结果
• 1.2.1 研究的主要内容
• 1.2.2 重点解决的问题
• 1.2.3 预期结果
• 1.3 拟采取的研究方法与研究技术路线及可行性论证
• 1.3.1 拟采取的研究方法
• 1.3.2 橡子淀粉酶水解发酵制取燃料乙醇的技术路线
• 1.3.3 可行性论证
• 1.4 实验整体安排
• 1.5 本论文的创新点
• 第二章 橡子淀粉与玉米、木薯淀粉的物理性质比较研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.2.1 淀粉颗粒形态测定
• 2.2.2.2 淀粉颗粒晶体结构分析
• 2.2.2.3 淀粉糊化特性分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 橡子淀粉与玉米、木薯淀粉的颗粒形态比较
• 2.3.2 橡子淀粉与玉米、木薯淀粉的晶体结构分析
• 2.3.3 橡子淀粉与玉米、木薯淀粉的糊化特性分析
• 2.4 小结
• 第三章 部分析因设计优化双酶法制取橡子淀粉水解液的工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与原料
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.2.1 原料的组成成分分析
• 3.2.2.2 橡子淀粉双酶水解部分析因设计的筛选实验
• 3.2.2.3 橡子淀粉双酶水解主因素的正交实验优化实验
• 3.2.3 测定方法
• 3.2.3.1 水解糖液中还原糖含量测定方法
• 3.2.3.2 橡子淀粉水解度DE 值计算公式
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 橡子淀粉的成分分析
• 3.3.2 葡萄糖标准曲线
• 3.3.3 液固比单因素实验
• 3.3.4 部分析因设计实验的结果及Pareto图分析
• 3.3.4.1 部分析因设计实验的结果
• 3.3.4.2 实验结果的 Pareto 图分析
• 3.3.5 正交实验的结果分析
• 3.3.6 最佳实验条件的验证
• 3.4 小结
• 第四章 中心复合实验优化嗜单宁管囊酵母发酵生产乙醇的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 主要仪器与设备
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.3.1 培养基
• 4.2.3.2 培养方法
• 4.2.3.3 实验步骤
• 4.2.4 分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 葡萄糖标准曲线图
• 4.3.2 GC 法测乙醇的乙醇标准曲线
• 4.3.3 单因素结果分析
• 4.3.3.1 发酵时间对嗜单宁管囊酵母发酵的影响
• 4.3.3.2 不同接种量对嗜单宁管囊酵母发酵的影响
• 4.3.3.3 不同转速对嗜单宁管囊酵母发酵的影响
• 4.3.3.4 不同发酵温度对嗜单宁管囊酵母发酵的影响
• 4.3.4 中心复合实验结果及分析
• 4.3.4.1 中心复合实验结果
• 4.3.4.2 中心复合实验结果的Pareto 图和方差分析
• 4.3.4.3 中心复合实验结果的回归
• 4.3.5 最佳实验条件的确定
• 4.4 小结
• 第五章 单宁对橡子淀粉的双酶水解及嗜单宁管囊酵母发酵的影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 橡子淀粉中单宁的紫外-可见光全波长扫描
• 5.2.3 橡子淀粉中单宁的脱除
• 5.2.4 单宁含量的测量
• 5.2.4.1 单宁的提取
• 5.2.4.2 单宁含量的测定
• 5.2.4.3 标准曲线的绘制
• 5.2.4.4 不同单宁含量对橡子淀粉水解中淀粉酶、糖化酶的影响
• 5.2.4.5 不同单宁含量的嗜单宁管囊酵母及酿酒酵母的影响
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 橡子淀粉中单宁的紫外-可见光全波长扫描结果
• 5.3.2 不同提取次数的单宁残余含量的测量结果
• 5.3.2.1 单宁的标准曲线
• 5.3.2.2 不同提取次数的单宁残余量的测量结果
• 5.3.3 不同单宁残余量对淀粉酶酶活、糖化酶酶活的影响
• 5.3.4 不同单宁残余量对嗜单宁管囊酵母的影响
• 5.3.5 不同单宁残余量对酿酒酵母的影响
• 5.3.6 不同单宁残余量对嗜单宁管囊酵母与酿酒酵母的影响比较
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 讨论
• 6.3 展望
• 参考文献
• 在读期间的学术研究
• 致谢