纤维质原料水解工艺及其水解液发酵制备燃料乙醇的研究

论文摘要

以木质纤维素类物质作为乙醇发酵的原料,研究了水解工艺和发酵工艺,主要包括浓酸水解法、稀酸水解法、两步水解法、水解液的脱毒处理、发酵菌种培养和驯化、固定化混和菌种发酵等。通过浓酸水解法、稀酸水解法、两步水解法研究,获得了优化的水解工艺条件：硫酸浓度75%,液固比2：1（v/w）,水解时间1h,稀释至硫酸浓度4%,常压水解1h。研究了水解液的脱毒方法,得出了优化的脱毒工艺条件：水解液煮沸10-20min,之后用氢氧化钙逐渐调pH值至8-11,过滤,用硫酸将pH回调至适当值,70-80℃下晶化沉淀30-50min,加入0.05%-0.4%的亚硫酸钠并在90℃下加热30-50min,过滤,浓缩至适当浓度,用0.3%-1%浓度的活性炭脱色。研究了发酵菌种的培养和驯化工艺,驯化后的菌种能够适应水解液的环境,发酵效果明显好于未驯化前的酵母。确定了驯化酿酒酵母发酵的最佳工艺条件：初始糖浓60-100g/L；初始pH值5.6-5.7；发酵时间48-60h；发酵温度28-33℃。为提高发酵效率,研究了固定化细胞的方法,获得的固定化酿酒酵母的发酵周期明显低于驯化酿酒酵母,其对玉米秸秆水解液发酵的优化工艺条件为：发酵周期12-22h,初始糖浓度80-120g/L,初始pH值6.0,发酵温度30-33℃。为了充分利用玉米秸秆水解液中的木糖发酵,研究了固定化混合菌种发酵工艺,表明混合菌种的发酵性能明显优于单一菌种,固定化混合菌种可以同时利用水解液中的葡萄糖和木糖进行发酵,其效果明显优于游离混和菌种发酵,也明显优于S.cerevisiae和P.stipitis两种细胞共固定发酵。在30-33℃、100r/min、初始pH6.0、C/N=20:1-25:1、混合菌种比例2：1-3：1的条件下,酒精浓度可达到21.34g/L,酒精得率可达到0.4g/g（酒精/消耗的糖）。

论文目录

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• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外燃料乙醇的发展概况
• 1.3 纤维素类物质预处理工艺研究概况
• 1.3.1 纤维素类物质的组成与结构
• 1.3.2 木质纤维素的预处理概况
• 1.4 纤维素降解研究
• 1.4.1 浓酸水解
• 1.4.2 稀酸水解
• 1.4.3 纤维素酶降解纤维素的研究
• 1.5 纤维质原料水解液脱毒处理工艺研究
• 1.6 酒精生产的原理及菌种
• 1.6.1 纤维素生产燃料乙醇的原理
• 1.6.2 乙醇发酵菌种
• 1.7 酒精发酵工艺研究
• 1.7.1 纤维素直接发酵法
• 1.7.2 间接发酵法
• 1.7.3 混合菌种发酵法
• 1.7.4 同步糖化发酵法
• 1.7.5 固定化细胞发酵工艺
• 1.8 本课题的研究目的和意义
• 第二章 浓硫酸水解工艺研究
• 2.1 实验仪器、药品与原料
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品
• 2.1.3 实验原料
• 2.2 实验原料的基本成分测定
• 2.3 试剂的配制
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 水分测定
• 2.4.2 原料预处理
• 2.4.3 水解方法
• 2.4.4 还原糖的测定
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 纤维质原料基本组成成分
• 2.5.2 温度对还原糖得率的影响
• 2.5.3 硫酸浓度对还原糖得率的影响
• 2.5.4 液固比对还原糖得率的影响
• 2.5.5 反应时间对还原糖得率的影响
• 2.6 小结
• 第三章 稀硫酸水解工艺
• 3.1 实验仪器、药品和原料
• 3.1.1 实验仪器
• 3.1.2 实验药品
• 3.2 实验原料的基本成分测定
• 3.3 试剂的配制
• 3.4 实验方法
• 3.4.1 水分测定
• 3.4.2 原料预处理
• 3.4.3 水解方法
• 3.4.4 还原糖测定
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 温度的影响
• 3.5.2 硫酸浓度对还原糖得率的影响
• 3.5.3 液固比对还原糖得率的影响
• 3.5.4 水解时间对还原糖得率的影响
• 3.6 小结
• 第四章 两步酸水解法
• 4.1 实验仪器、药品和原料
• 4.1.1 实验仪器
• 4.1.2 实验药品
• 4.1.3 实验原料
• 4.2 实验原料的基本成分测定
• 4.3 试剂的配制
• 4.4 实验方法
• 4.4.1 水分测定
• 4.4.2 原料预处理
• 4.4.3 水解方法
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 浓硫酸液固比对水解效果的影响
• 4.5.2 浓硫酸进一步稀释后的浓度对还原糖得率的影响
• 4.5.3 稀酸的反应时间对还原糖得率的影响
• 4.6 小结
• 第五章 纤维质原料水解液的脱毒处理研究
• 5.1 实验仪器和药品
• 5.2 实验菌种
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 水解液的脱毒处理处理过程
• 5.3.2 具体脱毒处理方法
• 5.3.3 还原糖测定：同上
• 5.3.4 水解液脱毒处理效果测定
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 水解液脱毒处理效果对比
• 5.4.2 活性炭添加量对水解液色度的影响
• 5.4.3 活性炭添加量对还原糖的影响
• 5.5 小结
• 第六章 酿酒酵母乙醇发酵研究
• 6.1 实验材料和药品
• 6.1.1 仪器与试剂
• 6.1.2 材料
• 6.1.3 菌种
• 6.1.4 培养基
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 纤维质原料的水解方法
• 6.2.2 菌种的驯化培养
• 6.2.3 游离酿酒酵母的发酵
• 6.3 检测方法
• 6.3.1 还原糖残糖的测定
• 6.3.2 酒精浓度的测定
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 游离酿酒酵母发酵水解液的酒精发酵结果
• 6.4.2 驯化酿酒酵母发酵水解液的酒精发酵结果
• 6.4.3 不同浓度下驯化酿酒酵母发酵情况
• 6.4.4 不同pH值下驯化酿酒酵母发酵情况
• 6.5 小结
• 第七章 固定化酿酒酵母发酵玉米秸秆水解液的情况
• 7.1 实验材料和药品
• 7.1.1 实验仪器和药品
• 7.1.2 实验材料
• 7.1.3 玉米秸秆成分测定
• 7.1.4 菌种
• 7.1.5 培养基
• 7.2 实验方法
• 7.2.1 固定化酵母的制备与增殖
• 7.2.2 固定化酿酒酵母的发酵
• 7.3 检测方法
• 7.3.1 酒精度的测量：采用酒精比重计
• 7.3.2 发酵液中还原糖残糖的测定
• 7.3.3 细胞生长O.D.值的测定
• 7.4 结果与讨论
• 7.4.1 玉米秸秆基本成分的测定
• 7.4.2 固定化酿酒酵母发酵周期考察
• 7.4.3 不同初始糖浓度下固定化酿酒酵母发酵情况
• 7.4.4 不同pH值下固定化酿酒酵母发酵情况
• 7.4.5 不同发酵温度下固定化酿酒酵母发酵情况
• 7.4.6 固定化嗜单宁管囊酵母、混合菌种与固定化酿酒酵母发酵效果对比
• 7.5 小结
• 第八章 固定化混合菌种发酵玉米秸秆水解液的研究
• 8.1 实验材料和药品
• 8.1.1 实验药品
• 8.1.2 实验仪器
• 8.1.3 实验材料
• 8.1.4 菌种
• 8.1.5 培养基
• 8.2 实验方法
• 8.2.1 酵母细胞菌悬液的制备
• 8.2.2 固定化细胞的制备与增殖
• 8.2.3 玉米秸秆水解液的酒精发酵
• 8.3 检测方法
• 8.3.1 发酵液中酒精含量的测定
• 8.3.2 发酵液中还原糖残糖含量的测定
• 8.3.3 细胞生长O.D.值的测定
• 8.4 结果与分析
• 8.4.1 固定化混合菌种增殖曲线的测定
• 8.4.2 发酵周期对玉米秸秆水解液发酵的影响
• 8.4.3 初始pH对发酵性能的影响
• 8.4.4 初始糖浓度对发酵性能的影响
• 8.4.5 接种比例对酒精产率的影响
• 8.4.6 碳氮比对发酵过程的影响
• 8.4.7 不同发酵菌种发酵效果的对比
• 8.5 小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介