木薯渣异步糖化发酵和同步糖化发酵产乙醇的研究

论文摘要

燃料乙醇是以谷物、薯类、甘蔗或其它植物等为原料，经发酵、蒸馏而制成。石油价格的不断攀升催生了全球生物燃料乙醇产业的蓬勃发展。木薯渣是生产木薯淀粉所剩下的固体废料，年产量巨大，成本极低，并且含有较高的淀粉和纤维素，利用木薯渣糖化发酵产乙醇日益受到关注。本课题通过对木薯渣的成分进行测定，建立了以木薯渣、混合酶和酿酒酵母为基础的异步糖化发酵（Separate hydrolysis and fermentation, SHF）和同步糖化发酵工艺（Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF）；并对利用SHF和SSF工艺发酵木薯渣产乙醇进行了研究。湿木薯渣含水率为83.12%，pH值为3.4；干木薯渣中灰分含量为2.84%，淀粉含量为40.12%，纤维素含量为11.40%，半纤维素含量为8.29%，蛋白质含量为4.43%，脂肪含量为3.45%。木薯渣酶水解实验的最适条件为：pH值5.0，温度50℃，纤维素酶添加量为15 FPU/g纤维素，Novozyme 188添加量为30 U/g纤维素；α-淀粉酶添加量为500 IU/g淀粉，糖化酶添加量为500 U/g淀粉，此时木薯渣葡萄糖浓度和葡萄糖得率分别可达到16.87 g/L和74.4%。初始底物浓度为16%（w/v）时，分批补料工艺使得葡萄糖得率比间歇补料提高了18%。酶分批加入的葡萄糖得率高于一次加入的葡萄糖得率，达到61.2%，而分批补料的葡萄糖得率和木糖得率达到最大，分别为72.4%和39.6%。进一步研究了酿酒酵母发酵酶解液产乙醇的最适条件：pH值5.0，温度37℃，接种量为6%。以底物浓度为16%的间歇工艺得到的酶水解液作为发酵培养基的过程中，添加有机氮源的发酵效率相对于没有添加有机氮源的发酵效率提高了5.2%，此时的乙醇浓度为26. 3 g/L。酿酒酵母同步糖化发酵木薯渣的最优工艺条件为：培养温度37℃，pH值5.0，接种量6%。以底物浓度为4%的木薯渣在此条件下发酵96 h，发酵终点的乙醇浓度和发酵效率分别为7.71g/L和70.76%。木薯渣同步糖化发酵的最大底物浓度可达20%，发酵终点乙醇浓度和发酵效率分别为34.67 g/L和63.60%。对比间歇发酵方式，分批补料的操作模式大大提高了乙醇的产量和发酵效率，分别达到了40.12 g/L和71.39%。而在分批补料中，酶与料一起补加，得到乙醇产量43.25 g/L，乙醇发酵效率为76.96%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料乙醇生产的现状、方法及工艺
• 1.1.1 燃料乙醇生产的现状
• 1.1.2 燃料乙醇生产的工艺
• 1.2 木薯渣的资源化利用
• 1.2.1 用作肥料和饲料
• 1.2.2 发酵产单细胞蛋白
• 1.2.3 发酵产柠檬酸
• 1.2.4 发酵产植酸酶
• 1.2.5 发酵产乙醇
• 1.3 酵母菌的特性和乙醇发酵机理
• 1.3.1 酵母菌概述
• 1.3.2 酿酒酵母特性及其发酵产乙醇的机理
• 1.4 影响发酵的因素
• 1.4.1 发酵微生物的影响
• 1.4.2 发酵条件的影响
• 1.4.3 发酵设备的影响
• 1.5 酒精的回收纯化
• 1.6 本论文研究工作的意义及内容
• 1.6.1 本课题研究的意义
• 1.6.2 本课题主要研究内容
• 第二章 木薯渣成分分析
• 2.1 材料和方法
• 2.1.1 实验器材
• 2.1.2 成分测定原料
• 2.1.3 木薯渣pH 值测定
• 2.1.4 木薯渣含水量测定
• 2.1.5 木薯渣中灰分的测定
• 2.1.6 木薯渣中淀粉含量的测定
• 2.1.7 木薯渣中纤维素和半纤维素的测定
• 2.1.8 酸溶性木质素含量测定
• 2.1.9 酸不溶性有机物含量测定
• 2.1.10 木薯渣中蛋白质的测定
• 2.1.1 1 干木薯渣中脂质的测定
• 2.2 结果与讨论
• 2.3 本章小结
• 第三章 木薯渣酶水解条件的优化
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 原料
• 3.1.2 主要仪器设备
• 3.1.3 酶
• 3.1.4 实验方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 酶活测定
• 3.2.2 酶添加量对木薯渣酶水解的影响
• 3.2.3 pH 值对木薯渣酶水解的影响
• 3.2.4 温度对水解反应的影响
• 3.2.5 酶添加组合对水解反应的影响
• 3.2.6 初始底物浓度对木薯渣水解反应的影响
• 3.2.7 分批补料与批式木薯渣酶水解的比较
• 3.2.8 补料时间间隔对木薯渣酶解的影响
• 3.2.9 不同工艺对木薯渣酶解影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 木薯渣酶解液的酒精发酵
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 菌种
• 4.1.2 培养基
• 4.1.3 实验方法
• 4.1.4 结果计算
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 酿酒酵母菌体浓度
• 4.2.2 pH 值对发酵的影响
• 4.2.3 温度对发酵的影响
• 4.2.4 接种量对发酵的影响
• 4.2.5 营养补充与否对发酵的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 酿酒酵母同步糖化发酵产乙醇条件的优化
• 5.1 材料和方法
• 5.1.1 菌种
• 5.1.2 培养基
• 5.1.3 木薯渣
• 5.1.4 主要仪器设备
• 5.1.5 酶
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 酵母增殖培养
• 5.2.2 酒精发酵
• 5.2.3 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 pH 值对发酵的影响
• 5.3.2 最适发酵温度的确定
• 5.3.3 酶添加组合对发酵的影响
• 5.3.4 最适接种量的确定
• 5.3.5 底物浓度对发酵的影响
• 5.3.6 分批补料对木薯渣同步糖化发酵的作用
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附录
• 附件