木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究

论文摘要

利用丰富的、可再生的木质纤维素生物质生产纤维素燃料乙醇,是当前世界生物能源产业的主流技术路线,可以有效解决能源危机、温室效应和环境污染等问题。木质纤维素原料通过糖平台路线进行生物转化生产纤维素乙醇的加工工序主要包括原料预处理、预处理后的抑制物脱除（脱毒）、酶水解、乙醇发酵、以及乙醇的分离提纯等步骤。尽管目前在世界范围内已经建立起数十套利用木质纤维素原料生产乙醇的中试工厂或示范生产线,但纤维素乙醇高额的生产成本严重阻碍了其产业化进程。纤维素乙醇的高成本具体表现在预处理和精馏的高能耗,预处理废水、脱毒废水和发酵废水处理所导致的高额环境成本,纤维素酶的高价格,以及乙醇产品的低收率等方面。本论文对木质纤维素生物转化生产纤维素乙醇过程的各个加工工序进行了以过程节能和废水减排为目标的机理解析和过程创新研究,开发了一系列具有工业应用价值的过程关键技术,为未来纤维素乙醇产业的降低成本提供了一个新型、完整的木质纤维素加工技术路线和一种资源节约型研发理念。本论文的主要创新点简述如下：首先,从预处理工序开始,通过对稀酸预处理过程中两个非常重要但在以往研究中被忽略的重要参数（预处理反应器物料装填率和预浸固液比）进行调控,在保证预处理效率的前提下压缩固液比至1：1（即总用水量不超过木质纤维素干固体质量,稀酸用量和蒸汽消耗分别不超过干固体质量的一半）,预处理后木质纤维素原料含水量低于50%（w/w）,新鲜水用量和蒸汽用量比目前典型的稀酸预处理技术分别降低80%和50%以上,这一干式预处理过程基本不产生废水,实现了高温蒸汽的低用量和废水的极限低排放。其次,在抑制物脱除（脱毒）工序,采用本论文筛选得到的木质纤维素依赖型煤油霉菌Amorphotheca resinae ZN1,以固态发酵的方式对预处理后的物料进行生物脱毒,可以降解预处理过程中产生的各种抑制物,包括甲酸、乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛等,但不消耗木质纤维素中的纤维素和半纤维素组分。脱毒过程在常温静态的条件下进行,不使用耗水和耗能操作；煤油霉菌A. resinae ZN1在后续的同步糖化与发酵过程中自然消亡,无需进行灭菌操作；脱毒后所获得的可发酵性原料固体含量高达45%（w/w）以上可不经过固液分离直接进入下一个工段。再次,在同步糖化与发酵工序,采用本论文设计的独特的新型螺带搅拌桨生物反应器,对脱毒后的物料进行极限高固体含量的同步糖化与发酵,在较低纤维素酶用量的条件下获得不低于8%（v/v）的高浓度乙醇发酵液,纤维素的转化率可达70%；极限高固体含量的同步糖化与发酵过程除加入液态的纤维素酶和发酵菌种外,不再有其它新鲜水耗；机械能消耗与常规生物反应器相比降低80-90%。同时,高浓度乙醇发酵液的获得也大大降低了后续蒸馏过程的能耗。最后,在乙醇分离工序,采用减压蒸馏的方法实现了37℃下乙醇的有效分离,一次性低温减压蒸馏的乙醇回收率可达90%以上,乙醇馏出液可浓缩至180 g/L,体积浓度达23%（v/v）；同时,蒸馏残液中保留了80%以上的纤维素酶酶活,降低了后续乙醇精馏中的能耗和同步糖化与发酵过程中纤维素酶的用量。减压蒸馏将为实现高固体底物含量下纤维素乙醇的连续性或半连续性生产提供一种切实可行的方法。本论文所提出的资源节约型纤维素乙醇生物加工理念和关键过程技术,在保证目标产品得率和过程效率的前提下,实现了大幅度节能和废水减排的目标,大大降低了纤维素乙醇的生产成本,为纤维素乙醇的大规模商业化生产提供了有力的应用基础研究支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 世界需要纤维素乙醇
• 1.2 纤维素乙醇的产业化进展
• 1.2.1 国外纤维素乙醇的产业化进展
• 1.2.2 我国纤维素乙醇的产业化进展
• 1.3 纤维素乙醇的生产工艺
• 1.3.1 木质纤维素原料的预处理技术
• 1.3.2 预处理物料的脱毒处理
• 1.3.3 木质纤维素原料的糖化与发酵
• 1.3.4 乙醇的分离
• 1.3.5 同步糖化与发酵过程中纤维素酶的回收及发酵菌种的循环利用
• 1.4 纤维素乙醇生产中存在的问题
• 1.5 本论文主要研究内容
• 第2章 木质纤维素原料的干式稀硫酸预处理研究
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 原料在预处理反应器中满载时可以显著降低预处理过程的能耗
• 2.3.2 预浸固液比对预处理过程能耗、水耗及预处理效果的影响
• 2.3.3 在预处理反应器满载及高的预浸固液比下对高温稀酸预处理的优化
• 2.3.4 干式稀酸预处理技术在不同木质纤维素原料上的应用及后续高固体含量下的同步糖化与发酵
• 2.4 小结
• 第3章 煤油霉菌Amorphotheca resinae ZN1对预处理后木质纤维素原料的固态生物脱毒
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 生物脱毒菌株的筛选与鉴定
• 3.3.2 煤油霉菌A.resinae ZN1的碳源生长谱实验
• 3.3.3 煤油霉菌A.resinae ZN1的抑制物降解能力
• 3.3.4 生物脱毒后玉米秸秆在高固体含量下的同步糖化与乙醇发酵
• 3.3.5 不同木质纤维素原料的生物脱毒效果
• 3.4 小结
• 第4章 高固体含量下的同步糖化与高浓度乙醇发酵过程研究以及生物反应器设计
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 螺带搅拌桨与Rushton搅拌桨在处理高固体含量秸秆SSF时的优劣
• 4.3.2 接种时间和接种量对高固体含量秸秆同步糖化与发酵的影响
• 4.3.3 不同固体含量对玉米秸秆同步糖化与发酵的影响
• 4.3.4 高固体含量下纤维素酶用量对秸秆同步糖化与发酵的影响
• 4.3.5 不同固体含量和酶用量对玉米秸秆同步糖化与发酵过程搅拌能耗的影响
• 4.3.6 超高固体含量下秸秆的同步糖化与发酵
• 4.4 小结
• 第5章 乙醇分离与纤维素酶-发酵菌体循环利用的过程耦合
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 仪器与设备
• 5.2.3 实验及分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 合成发酵液的减压蒸馏
• 5.3.2 40.0 %（w/w）固体含量玉米秸秆同步糖化与发酵后发酵醪上清液的减压蒸馏
• 5.3.3 40.0 %（w/w）固体含量玉米秸秆同步糖化与发酵后所得发酵醪全醪的减压蒸馏
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论与创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 博士期间研究成果
• 致谢