利用甜高粱茎杆固定化酵母生产燃料乙醇

论文摘要

由于石油危机和气候环境的变化,寻找一种可以替代石油的液体燃料至关重要。其中燃料乙醇无疑是石油替代品中最佳选择之一。目前世界上主要利用玉米小麦甘蔗等作为原料生产燃料乙醇,由于世界粮食危机而结合中国地势国情,必须要寻求一种非粮食基原料来生产乙醇,甜高粱受到了越来多的重视。本文主要尝试了利用甜高粱茎秆通过固定化细胞技术连续发酵生产燃料乙醇及其工艺放大。本文利用甜高粱茎秆作为固定化的载体,实现酵母细胞的固定化,用于高浓度乙醇发酵。实验研究了不同预处理方法对载体固定化细胞的能力,以及对乙醇发酵动力学的影响。本文中未灭菌的新鲜甜高粱茎秆最大的固定化生物量为0.489g细胞干重（DCW）/g干载体（DBW）。经过高温灭菌的载体的固定化细胞能力明显下降,当温度从100℃升高至121℃时,固定化生物量从0.12g（DCW）/g（DBW）降低至0.07g（DCW）/g（DBW）;经过纤维素酶（60U/g载体）处理3天后的茎秆,比表面积增大,酵母细胞固定化能力大大提高,此时的固定化生物量高达0.68g（DCW）/g（DBW）。以纤维素酶处理过的甜高粱茎秆为载体固定酵母细胞,与未经处理的甜高粱茎秆为载体固定酵母细胞进行比较,考查了两个体系在高糖浓度反复分批发酵的能力。结果显示,当乙醇浓度都达到130g·L-1时,前者发酵周期比后者缩短了15h；以纤维素酶处理过的甜高粱茎秆为载体固定酵母细胞体系可以稳定运行25批次,使用周期达两个月以上,且平均乙醇含量维持在132 g·L-1。纤维素酶预处理不仅提高了载体的比表面积,提高了固定化细胞的能力；而且纤维素酶可以部分降解载体表面,从而形成很多微小的孔隙,提高了乙醇发酵过程中固定化细胞体系的传质效率,从而大大提高了乙醇发酵速率。利用未经处理的甜高粱茎秆填充固定化反应器分别进行反复分批发酵和无极连续发酵,填充密度约为50%。其中在反复分批发酵过程中,每一批次前期游离细胞迅速增殖,最大浓度可达2.4×108/ml,随着乙醇浓度逐渐增加和糖浓度的逐渐减少游离细胞逐渐减少,固定化生物量像游离细胞一样也会有一个波动,但总体是逐渐增加的趋势,平均的固定化细胞浓度为0.22 g （DCW/DBW）,从而使体系中的酵母细胞不断更新保持体系活力。且整个过程中乙醇的浓度平均在130.1 g·L-1以上,残糖浓度也在5 g.L-1以下,使用周期可达一个月以上。在五级连续发酵过程中,每一级游离细胞浓度逐渐趋于一致,固定化细胞浓度整体也呈现增加的趋势,但由于受到高浓度乙醇的影响,后两级固定化死细胞浓度明显低于前三级,固定化细胞活率从第15天70%和60%再次逐渐降低,在发酵26天后第五级与第四级活细胞的比率降到22%和38%,出芽率和乙醇脱氢酶的活性也在降低,在15天之内残糖浓度总可以维持在5 g.L-1,在21天后乙醇浓度逐渐降低从126g.L-1降低至26天的113g.L-1残糖浓度也从8.9g.L-1上升到18.9 g.L-’,但发酵后平均乙醇浓度都在130g/L以上,使用周期可达26天,也表明多级连续高浓度乙醇发酵可以成功的实现。对于多级连续发酵工艺准备了两套工艺路线,以一年生产1000吨乙醇为标准,通过中试结果及经济可行性评价结果表明,利用新鲜甜高粱茎秆汁直接发酵,发酵速度快,生产吨乙醇成本更低,在工艺的选择上更具有可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章. 绪论
• 1.1 燃料乙醇概况
• 1.1.1 燃料乙醇简介
• 1.1.2 国外燃料乙醇发展状况
• 1.1.3 国内燃料乙醇发展现状
• 1.2 利用甜高粱茎秆发酵产乙醇概况
• 1.2.1 甜高粱简介
• 1.2.2 甜高粱秆发酵生产乙醇的现状
• 1.2.3 甜高粱秆固态发酵生产乙醇
• 1.2.4 以甜高粱茎汁直接发酵生产乙醇
• 1.3 固定化细胞技术在燃料乙醇工业中的应用
• 1.3.1 细胞固定化方法的分类
• 1.3.2 细胞固定化载体的分类与选择
• 1.3.4 细胞固定化技术的前景与展望
• 第2章 以改性甜高梁茎杆为载体酵母细胞固定化发酵产乙醇
• 2.1 实验材料和方法
• 2.1.1 菌种与培养基
• 2.1.2 植物茎秆预处理方法
• 2.1.3 实验方法
• 2.1.4 分析方法
• 2.2 实验结果与讨论
• 2.2.1 酿酒酵母细胞固定化
• 2.2.2 固定化载体电镜扫描照片
• 2.2.3 反复分批发酵试验
• 2.3 结论
• 第3章 利用五级连续酵母细胞固定化装置实现高浓度乙醇的连续生产
• 3.1 实验材料和方法
• 3.1.1 菌种与培养基
• 3.1.2 载体和细胞固定化
• 3.1.3 反复分批发酵与连续发酵
• 3.1.4 分析方法
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 连续反复分批发酵
• 3.2.2 五级连续发酵
• 3.3 结论
• 第4章 甜高粱茎秆燃料乙醇中试放大
• 4.1 实验材料和方法
• 4.1.1 菌种与培养基
• 4.1.2 分析方法
• 4.2 甜高粱茎秆燃料乙醇中试放大工艺路线
• 4.3 试验结果
• 4.4 1000吨/年甜高粱乙醇工艺经济评价
• 4.5 结论
• 第5章 结论及建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书