与膜耦合的串联发酵生物质制乙醇的研究

论文摘要

与膜分离相结合的乙醇发酵技术的开发研究对于发展农产品节约化加工技术和替代石油的新型清洁能源生产具有重大意义。植物纤维原料包括纤维素、半纤维素和木质素，是地球上最丰富的生物可再生资源，利用其作为廉价的糖源生产燃料乙醇是解决世界能源危机的最有效途径。本研究采用在两个串联的固定床内连续发酵葡萄糖和木糖组成的糖液并与膜耦合的方法来制取酒精。通过硅橡胶膜（PDMS膜）的渗透蒸发过程将产品乙醇从发酵液中移出。解决了发酵过程中产物的抑制作用，提高了糖的利用率和乙醇的产率。主要研究结果如下：本文所采用的PDMS复合膜在分离乙醇水溶液和发酵液时具有稳定的通量和分离因子，表现出相当高的分离性能。随着进料乙醇浓度的增加，乙醇水溶液和发酵液的渗透通量都呈现增大趋势，但分离因子略有降低。当温度和循环流量恒定时，分离不同进料浓度的乙醇水溶液时表现出稳定的乙醇传质系数。研究了不同氮源条件下酵母的生长规律。结果表明，硝酸钾作为氮源的增殖效果较差，尿素作唯一氮源增殖酵母时，酵母最终浓度与单独采用蛋白胨时相接近。研究了影响嗜鞣管囊酵母生长和发酵的两个重要因素：温度和pH值。研究表明，酵母在pH3.0—4.0这一低pH范围仍能正常生长，但从酵母最终浓度和得率考虑，酵母的最适生长pH范围为4.5—5.0；从酵母生长速度考虑，最适生长温度范围为30—35℃。采用50g／l的葡萄糖和25g／l的木糖为发酵底物进行串联发酵的研究结果表明，当发酵温度为35℃，pH值为4.5-5.0时发酵液中的酒精浓度较高。研究了糖浓度对串联发酵的影响。采用葡萄糖和木糖比例为2：1，总糖浓度不同的混合糖为底物。结果表明，随着底物浓度的不断上升，发酵罐中的残留的总的还原糖的浓度也不断上升，但酒精的浓度上升的幅度并不大。研究了膜耦合对发酵过程的影响。在相同的条件下，考察了膜耦合发酵和未与膜耦合发酵的酒精浓度和糖醇转化率。结果表明，膜耦合发酵不但促进了发酵的稳定进行，而且提高了乙醇的生产能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 发酵制燃料乙醇的背景和现状
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 发酵制燃料乙醇发展现状
• 1.2 纤维素原料水解液的制备
• 1.2.1 物理法
• 1.2.2 物理化学法
• 1.2.3 化学法
• 1.2.4 生物法
• 1.3 纤维素水解液的发酵微生物及机理
• 1.3.1 发酵微生物
• 1.3.2 发酵机理的研究
• 1.4 酒精发酵工艺
• 1.4.1 传统酒精发酵模式
• 1.4.2 酒精发酵新工艺
• 1.5 与膜分离耦合发酵制乙醇
• 1.5.1 与膜耦合的发酵方法的介绍
• 1.5.2 硅橡胶膜分离原理及特性
• 1.5.3 影响膜生物反应器运行效果的因素
• 1.5.4 膜生物反应器的选型
• 1.5.5 膜生物反应器存在问题
• 1.6 本研究的内容
• 2 嗜鞣管囊酵母的生长及其戊糖发酵特性
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 菌种的各级培养
• 2.1.3 分析与检测
• 2.1.4 实验方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 氮源对嗜鞣管囊酵母生长和对戊糖发酵的影响
• 2.2.2 不同发酵温度和pH值对嗜鞣管囊酵母发酵木糖过程的影响
• 2.2.3 葡萄糖对嗜鞣管囊酵母发酵木糖过程的影响
• 2.2.4 酵母酒精发酵副产物的测定
• 2.3 小结
• 3 戊糖和己糖串联连续发酵
• 3.1 实验材料与方法
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 分析与检测
• 3.1.4 实验方法
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 稀释率对发酵的影响
• 3.2.2 接种量对乙醇发酵的影响
• 3.2.3 发酵温度对串联发酵的影响
• 3.2.4 还原糖浓度对细胞生长和发酵过程的影响
• 3.3 小结
• 4 与膜耦合的串联发酵
• 4.1 实验材料与方法
• 4.1.1 实验仪器
• 4.1.2 与膜耦合发酵的实验装置及流程
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 硅橡胶膜在发酵过程中的分离性能
• 4.2.2 发酵—分离耦合性能
• 4.2.3 反应器的pH值
• 4.2.4 与膜耦合同未与膜耦合发酵的性能比较
• 4.3 小结
• 5 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢