水葫芦的预处理及乙醇转化研究

论文摘要

利用木质纤维素转化燃料乙醇是当前的研究热点,但由于木质纤维原料的抗降解特性,必须经过适当的预处理过程以提高原料的酶水解效率和乙醇转化率。水葫芦(Eichhornia crassipes)是富含纤维素的生物质原料,它具有环境适应力强和生长繁殖速度快的特点,它能毁灭性的破坏入侵地生态系统,被列为世界十大恶性杂草之一。目前,水葫芦的治理主要以打捞为主,如何有效利用大量水葫芦生物量是一个备受关注的问题,通过微生物转化水葫芦生产燃料乙醇具有很大的应用前景。本研究选取0.5%、1%和2%(w/v)的NaOH或H2SO4、不同的时间(0.5h、1h和1.5h)条件对经干燥、粉碎的水葫芦样品进行预处理,通过分析不同预处理后水葫芦样品木质素去除率、结晶度以及纤维素酶酶解效率,评价不同预处理方法的效果,结果表明：在固液比1：20的条件下,水葫芦的最佳的碱预处理条件为1%(w/v)NaOH浓度、100℃下1h；最佳酸预处理条件是1%(w/v)H2SO4、121℃下1h,相应的底物糖化水解率和纤维素水解率分别为28.88%/58.35%和26.37%/61.19%。进一步,本研究以安琪酵母(购于安琪公司)、克鲁维酵母(Kluyveromyces sp.)213菌株和汉逊酵母(Hansenula sp.)XT3菌株作为乙醇发酵菌株,分别以1%(w/v) NaOH 1h和1%(W/v)H2SO41h预处理的水葫芦为底物,采用分步水解发酵(SHF)和同步糖化发酵(SSF),发酵的条件为：5%(v/v)酵母接种量,纤维素酶(40 FPA/g底物)进行酶水解,5%(w/v)发酵底物,选取各菌株的最佳发酵温度(安琪酵母为30℃,克鲁维酵母和H. polymorpha XT3菌株为42℃),150rpm,4d。比较分析了不同酵母菌株在不同发酵条件下的乙醇的产量浓度,结果表明：所用3种酵母菌株在利用同步糖化发酵法时的乙醇产量均高于分步水解发酵法,1%(w/v)NaOH预处理水葫芦的乙醇转化率最高,H. polymorpha XT3是预处理水葫芦发酵最合适的菌株。H. polymorpha XT3菌株以1%(w/v)NaOH1h处理水葫芦底物,经42℃同步糖化发酵后,其乙醇产量可达6.533 g/L,底物转化率为0.131 g/g,其乙醇产量和底物转化率分别为安琪酵母和克鲁维酵母的1.8倍/1.31倍和2.9倍/1.84倍。本研究以水葫芦木质纤维素为原料,对其酸碱预处理的浓度和时间进行优化,并以安琪酵母、Kluyveromyces sp.213和Hansenula sp. XT3等3个酵母菌株进行了发酵产乙醇性能的初步研究,为水葫芦木质纤维素原料的乙醇生产提供了实验证据和理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图和附表清单
• 缩略词
• 第一章 引言
• 1.1 水葫芦的特性及资源化利用的研究现状
• 1.1.1 水葫芦的危害
• 1.1.2 水葫芦的防治
• 1.1.3 水葫芦的资源化利用及研究现状
• 1.2 木质纤维素的化学组成及特性
• 1.2.1 纤维素
• 1.2.2 半纤维素
• 1.2.3 木质素
• 1.3 木质纤维素的预处理技术及研究进展
• 1.3.1 物理法
• 1.3.2 化学方法
• 1.3.3 生物法
• 1.3.4 综合法
• 1.4 木质纤维素的乙醇发酵工艺及研究进展
• 1.4.1 分步水解发酵法
• 1.4.2 同步糖化发酵法
• 1.4.3 同步糖化共发酵法
• 1.4.4 联合生物加工
• 1.4.5 耐高温酵母的乙醇发酵
• 1.5 论文选题意义及研究内容
• 1.5.1 论文的选题意义
• 1.5.2 论文研究内容
• 第二章 材料与方法
• 2.1 材料
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 菌株
• 2.1.3 主要仪器
• 2.1.4 主要试剂及配制方法
• 2.1.5 主要培养基
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 预处理方法
• 2.2.2 纤维素含量测定方法
• 2.2.3 结晶度测定方法
• 2.2.4 还原糖测定方法
• 2.2.5 酶水解方法
• 2.2.6 酵母发酵
• 2.2.7 发酵检测
• 第三章 实验结果
• 3.1 预处理对水葫芦主要化学成分及纤维素结晶度的影响
• 3.1.1 预处理对水葫芦主要化学成分含量的影响
• 3.1.2 预处理对水葫芦主要成分去除率的影响
• 3.1.3 预处理对水葫芦木质纤维素结晶度的影响
• 3.1.3.1 碱预处理对水葫芦木质纤维素结晶度的影响
• 3.1.3.2 酸预处理对水葫芦木质纤维素结晶度的影响
• 3.1.4 预处理对水葫芦木质纤维素水解性能的影响
• 3.2 水葫芦木质纤维素的乙醇发酵
• 3.2.1 水葫芦的安琪酵母发酵
• 3.2.2 水葫芦的Kluyveromyces sp.213发酵
• 3.2.3 水葫芦的Hansenula sp.XT3菌株发酵
• 3.2.4 水葫芦在不同发酵条件下的乙醇产量
• 第四章 结论及讨论
• 4.1 预处理对水葫芦主要化学成分的影响
• 4.2 预处理对水葫芦木质纤维素结晶度的影响
• 4.3 预处理对水葫芦木质纤维素水解率的影响
• 4.4 水葫芦木质纤维素的乙醇发酵
• 4.4.1 水葫芦木质纤维素的SSF和SHF乙醇发酵
• 4.4.2 发酵菌株对水葫芦木质纤维素乙醇发酵的影响
• 4.5 结论
• 4.6 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表论文及申请专利目录