乙醇发酵循环气提耦合工艺的研究

论文摘要

乙醇工业在国民经济中占有重要的地位。随着世界石油储量的锐减和我国环境保护工作的加强,车用燃料乙醇需求逐年增加。世界上90%的乙醇都是由发酵生成,发酵法生产乙醇的过程中,产物乙醇会对微生物的生长产生抑制,在线分离乙醇是消除产物抑制最有效的途径之一,可以提高发酵效率,同时简化分离和纯化工艺。为改进传统的乙醇发酵工艺,本文系统地研究了酿酒酵母、马克思克鲁维酵母生产乙醇的发酵特性,将两个酵母菌混合发酵,结合循环气提法在线分离产物,在前人研究的基础上改进了乙醇发酵循环气提耦合工艺,增加了低温循环水浴槽,使得提取产物乙醇的回流装置处于低温状态,克服了传统气提酒精发酵工艺中的不足,从化工分离与发酵工程两方面着手强化其单元操作特性,进一步提高气提在线分离乙醇效率,同时降低乙醇提取工艺中的能耗及废液量,并最终降低乙醇的生产成本。研究表明该工艺使得乙醇发酵水平得到了明显的提高。本文首先通过对酿酒酵母（Saccharomices cerevisiae）、马克思克鲁维酵母（Kluyveromyces marxianus）的发酵特性的研究,结合两个菌种的发酵特点,提出了乙醇混合菌发酵,通过研究混合菌发酵的接种方式、通气条件、流加补料策略提高乙醇生产得率,并得出混合菌批式发酵的基本条件:自然pH条件下,混合培养,发酵温度为35℃,通气量为0.5vvm进行发酵。其次,本文在乙醇批式发酵的基础上,对CO2循环气提在线分离乙醇发酵工艺进行了考察,针对醇水溶液体系中不同循环气量、气提初始乙醇浓度以及低温循环水浴槽的温度对气提效率的影响进行了考察,得出循环气量、低温循环水浴槽的温度分别与乙醇移出速率成线性关系,而乙醇初始浓度与乙醇移出效率成抛物线性关系;采用低温收集回流乙醇,可得到浓度高达400 g?L-1的乙醇,其分离效果明显优于常温收集;结合实际发酵中最优发酵条件,得到乙醇发酵-耦合循环气提工艺的最优条件为:在乙醇浓度达到70 g?L-1左右时开始气提,气提循环气量为0.5vvm,低温水浴槽温度控制为2℃,该条件下,既能保证较高的乙醇生产强度,又能使乙醇生产的能耗为最低,从而降低乙醇的生产成本。将该循环气提工艺应用至真实乙醇发酵体系中,耦合混合菌发酵,结果表明可将发酵过程中的乙醇浓度控制在35 g·L-1左右,从而有效的消除产物抑制,酵母菌长期保持较高活力,发酵时间可延长至360 h;同时,乙醇对糖的得率为0.44 g·g-1,为流加补料批式发酵的1.22倍,乙醇的生产强度为4.32 g·L-1h-1,为流加补料批式发酵的2.29倍。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一部分 文献综述
• 第一章 乙醇概述及其发展近况
• 1.1 乙醇概要
• 1.1.1 燃料乙醇的相关特性
• 1.1.2 燃料乙醇的优点
• 1.1.3 发酵乙醇作车用燃料的方式和特点
• 1.1.4 燃料乙醇的重要作用
• 1.1.5 推广使用车用乙醇汽油的必要性和重要意义
• 1.2 世界燃料乙醇工业发展概况
• 1.2.1 概况
• 1.2.2 巴西燃料乙醇的发展状况
• 1.2.3 美国燃料乙醇的发展状况
• 1.2.4 欧盟燃料乙醇的发展状况
• 1.2.5 其他国家燃料乙醇的发展状况
• 1.2.6 国内燃料乙醇发展状况
• 1.3 发酵法生产乙醇的代谢机理
• 第二章 乙醇发酵工艺研究进展
• 2.1 菌种的研究
• 2.2 乙醇发酵原料的研究
• 2.3 乙醇发酵产物分离方法的研究
• 2.3.1 乙醇发酵与萃取耦合过程的研究
• 2.3.2 乙醇发酵与吸附耦合过程的研究
• 2.3.3 乙醇发酵与膜分离耦合过程的研究
• 2.3.4 乙醇发酵与气提耦合过程的研究
• 2.4 新发酵工艺
• 2.4.1 固定化细胞发酵工艺
• 2.4.2 细胞循环发酵工艺
• 2.4.3 固体发酵系统
• 2.5 本论文的研究目的及方案
• 参考文献
• 第二部分 实验内容
• 第一章 实验体系、实验材料及实验方法
• 1.1 实验材料
• 1.1.1 菌种
• 1.1.2 试剂
• 1.1.3 培养基
• 1.1.4 实验仪器
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 灭菌条件
• 1.2.2 斜面培养
• 1.2.3 种子培养
• 1.2.4 1L 发酵罐培养
• 1.2.5 5L 发酵罐培养
• 1.3 分析方法
• 1.3.1 菌体浓度的测定
• 1.3.2 葡萄糖、乙醇及反应过程中的副产物甘油浓度的测定
• 第二章 菌种发酵特性及初始条件的优化
• 2.1 酿酒酵母发酵特性的研究
• 2.1.1 酿酒酵母批式发酵的细胞生长曲线
• 2.1.2 发酵方式对酵母发酵的影响
• 2.1.3 发酵温度对酵母发酵的影响
• 2.1.4 初糖浓度对酵母发酵的影响
• 2.1.5 5L 发酵罐中通气条件与初糖对发酵的影响
• 2.2 马克思克鲁维酵母发酵特性的研究
• 2.2.1 马克思克鲁维酵母菌种特性的研究
• 2.2.2 马克思克鲁维酵母发酵特性的研究
• 2.2.3 发酵温度的确定
• 2.2.4 初糖浓度对发酵的影响
• 2.3 1L 发酵罐发酵数据
• 2.3.1 不同温度对发酵的影响
• 2.3.2 初糖浓度对发酵的影响
• 2.3.3 通氧对发酵的影响
• 第三章 混合菌发酵的特性及初始条件的优化
• 3.1 不同菌种的发酵比较
• 3.2 种子培养方式对混合菌发酵的影响
• 3.3 初糖浓度对混合菌发酵的影响
• 3.4 通气条件对混合菌发酵的影响
• 第四章 模拟循环气提工艺的研究
• 4.1 不同循环通气量与气提效率的关系
• 4.2 气提初始时乙醇浓度与气提效率的关系
• 4.3 低温循环水浴槽的温度与气提效率的关系
• 第五章 乙醇发酵—循环气提耦合工艺的研究
• 5.1 乙醇批式发酵循环气提对发酵过程的影响
• 5.2 乙醇发酵-循环气提耦合工艺中补料的研究
• 5.2.1 乙醇发酵-循环气提耦合工艺中底物流加
• 5.2.2 乙醇发酵-循环气提耦合工艺补充酵母浸粉
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 个人简介
• 致谢