利用玉米秸秆制取燃料乙醇的关键技术研究

【摘要】： 利用丰富而廉价的木质纤维素资源代替粮食生产燃料乙醇，对我国经济和社会的可持续发展具有十分重大的意义。本文对木质纤维原料的预处理、纤维素和半纤维素的水解糖化、利用己糖、戊糖发酵乙醇、以及木质纤维原料的综合利用等关键技术进行了系统研究。 针对玉米秸秆结构致密、难于直接被酶水解的特点，分别采用稀酸、氨水／稀酸、石灰、氢氧化钠等方法对玉米秸秆进行预处理。结果表明，采用2％NaOH于85℃对玉米秸秆处理75 min，木质素的脱除率达到73.9％，处理后的纤维残渣易于被酶降解，酶解得率达到81.2％；固液分离后的碱液可以重复利用3～4次，从而降低预处理成本；氢氧化钠预处理条件温和，能耗低，并可有效脱除了原料中的乙酸等发酵抑制物，有利于玉米秸秆水解液的乙醇发酵。 采用纤维素酶水解玉米秸秆，对纤维素的糖化进程及纤维素酶的作用机制进行了研究。结果表明，底物的酶解得率和预处理过程中木质素的脱除率表现出正向相关性，而与半纤维素的脱除程度关系并不大；纤维素酶系组成对酶解进程有重要影响，补加纤维二糖酶可以改善里氏木霉纤维素酶的酶系组成，大大减弱纤维二糖累积引起的反馈抑制；纤维素水解过程中底物中的半纤维素同时被酶制剂中的木聚糖酶水解成木糖等单糖；针对纤维底物比容较大的特点，采用分批补料酶解工艺提高底物浓度，从而有效地提高了酶解液中的还原糖浓度，而且维持了较高的酶解得率，该工艺为提高后续发酵的乙醇浓度奠定了基础。 木糖的乙醇发酵是利用木质纤维原料生产乙醇的关键环节。常用的酿酒酵母只能发酵葡萄糖，不能利用来自半纤维素的木糖。少数微生物如Pichia stipitis、Candida shehatae等虽然能够利用木糖，但由于要求“半好氧”的发酵条件及较差的乙醇耐受性而不适合工业化应用。对已构建的一株基因重组酵母(Saccharomyces cerevisiae ZU-10)的研究表明，重组酵母具有乙醇耐受性强、遗传性能稳定、可在厌氧条件下发酵葡萄糖和木糖产乙醇等优良性能，48 h内50 g／L葡萄糖和30 g／L木糖发酵生成32.8 g／L乙醇，对葡萄糖和木糖的乙醇得率达到0.41。但重组酵母生长缓慢、对乙酸和糠醛等抑制物较为敏感，浓度高于0.25 g／L乙酸或者高于0.08 g／L糠醛都会对其发酵木糖产生较大影响。 利用重组酵母S. cerevisiae ZU-10在厌氧条件下对玉米秸秆纤维素、半纤维素水解液中的葡萄糖和木糖进行共发酵，66.9 g／L葡萄糖和32.1 g／L木糖发酵生成41.4 g／L乙醇，对葡萄糖和木糖的乙醇得率达到0.418。由于重组酵母S.cerevisiae ZU-10对半纤维素水解液中木糖的有效转化，从而使得乙醇产量相比普通酿酒酵母发酵增加了24.2％。 为消除糖化过程中产物的反馈抑制，采用同步糖化发酵工艺，将纤维素和半纤维素的糖化与重组酵母对水解液中葡萄糖和木糖的共发酵相结合。研究表明，纤维素和半纤维素水解产生的葡萄糖和木糖被重组酵母S. cerevisiae ZU-10快速利用，有效解除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制，从而提高了底物的乙醇转化率。 鉴于重组酵母生长缓慢，生长阶段好氧、发酵阶段厌氧的特性，采用海藻酸钙凝胶包埋法固定重组酵母。利用固定化细胞发酵木糖，同游离细胞相比，固定化细胞的发酵周期由96 h缩短至60 h，对乙酸的耐受性由0.25 g／L提高到1.2 g／L，对糠醛的耐受性由0.08 g／L提高到0.12 g／L，而且细胞易于重复利用。利用固定化细胞重复12批发酵玉米秸秆水解液，葡萄糖利用率均为100％，木糖利用率均在90％以上，平均乙醇浓度为40.4 g／L，对葡萄糖和木糖的平均乙醇得率为0.41。 将氢氧化钠预处理后残渣中纤维素和半纤维素的乙醇转化、碱处理液中木质素的回收、碱溶性半纤维素糖类的回收利用进行有机整合，从而实现玉米秸秆各组分的综合利用。对利用玉米秸秆生产燃料乙醇的关键技术进行集成优化，现已在河南天冠燃料乙醇有限公司建成年产300吨纤维乙醇的示范生产线，为进一步实现纤维乙醇的产业化生产奠定了扎实的基础。 本文在基因重组酵母对葡萄糖和木糖的共发酵、利用基因重组酵母厌氧条件下发酵玉米秸秆纤维素和半纤维素水解液生产乙醇、以及利用木质纤维原料生产乙醇的关键技术集成等方面的研究具有明显的特色与创新，相关研究结果不仅有一定的学术价值，而且在促进可再生木质纤维素资源的转化利用、缓解人类的粮食危机、降低燃料乙醇的生产成本等方面具有重要的现实意义。 【关键词】：玉米秸秆 预处理 酶水解 针维素酶 纤维二糖酶 乙醇发酵 基因重组酵母 木糖 同步糖化发酵 固定化细胞 木质素 技术集成
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 第一章 文献综述15-42
• 1.1 概述15
• 1.2 燃料乙醇的研究意义15-17
• 1.2.1 缓解能源危机15-16
• 1.2.2 减轻环境污染16
• 1.2.3 推动农业生态良性循环16-17
• 1.3 国内外燃料乙醇的发展概况17-20
• 1.3.1 燃料乙醇在国外的发展概况17-18
• 1.3.2 燃料乙醇在我国的发展概况18-20
• 1.4 木质纤维原料制备乙醇的研究20-32
• 1.4.1 纤维素酶的生产20-21
• 1.4.2 木质纤维原料21-23
• 1.4.3 纤维原料的预处理23-25
• 1.4.4 纤维素的酶法水解25-28
• 1.4.5 葡萄糖的乙醇发酵28
• 1.4.6 木糖的乙醇发酵28-32
• 1.4.7 乙醇发酵工艺32
• 1.4.8 乙醇的回收32
• 1.5 本文的研究思路与主要内容32-33
• 参考文献33-42
• 第二章 玉米秸秆的预处理42-64
• 引言42
• 2.1 材料与方法42-47
• 2.1.1 原料42
• 2.1.2 预处理工艺42-43
• 2.1.3 酶制剂43
• 2.1.4 酶水解43-44
• 2.1.5 分析方法44-47
• 2.2 结果与讨论47-61
• 2.2.1 稀酸预处理47-51
• 2.2.1.1 稀酸预处理前后玉米秸秆的成分分析47-48
• 2.2.1.2 稀酸预处理对物料重量损失和主要成分的影响48
• 2.2.1.3 半纤维素水解液成分分析48-50
• 2.2.1.4 稀酸预处理玉米秸秆的酶水解50-51
• 2.2.2 氨水/稀酸预处理51-54
• 2.2.2.1 氨水/稀酸预处理前后玉米秸秆的成分分析51
• 2.2.2.2 氨水/稀酸预处理对物料重量损失和主要成分的影响51-52
• 2.2.2.3 半纤维素水解液成分分析52-53
• 2.2.2.4 氨水/稀酸预处理玉米秸秆的酶水解53-54
• 2.2.3 石灰预处理54-56
• 2.2.3.1 石灰预处理前后玉米秸秆的成分分析54-55
• 2.2.3.2 石灰预处理对物料重量损失和主要成分的影响55
• 2.2.3.3 石灰预处理玉米秸秆的酶水解55-56
• 2.2.4 氢氧化钠预处理56-58
• 2.2.4.1 氢氧化钠预处理前后玉米秸秆的成分分析56-57
• 2.2.4.2 氢氧化钠预处理对物料重量损失和主要成分的影响57
• 2.2.4.3 氢氧化钠预处理玉米秸秆的酶水解57-58
• 2.2.5 预处理方法的比较58-61
• 2.2.5.1 预处理后玉米秸秆的成分比较58-59
• 2.2.5.2 预处理对物料重量损失和主要成分脱除率的比较59
• 2.2.5.3 预处理对玉米秸秆酶水解影响的比较59-61
• 2.3 小结61-62
• 参考文献62-64
• 第三章 玉米秸秆酶法糖化的研究64-76
• 引言64
• 3.1 材料与方法64-66
• 3.1.1 主要仪器与试剂64-65
• 3.1.2 纤维原料及预处理65
• 3.1.3 酶制剂65
• 3.1.4 酶水解65-66
• 3.1.5 分析方法66
• 3.2 结果与讨论66-73
• 3.2.1 批式酶解工艺参数的优化66-71
• 3.2.1.1 玉米秸秆纤维残渣的酶解进程66-67
• 3.2.1.2 纤维二糖酶的协同酶解作用67-68
• 3.2.1.3 酶用量68-69
• 3.2.1.4 底物浓度69-70
• 3.2.1.5 表面活性剂70-71
• 3.2.2 自制酶解反应器中的批式酶解试验71-72
• 3.2.3 批式酶解放大试验72
• 3.2.4 分批补料酶解工艺72-73
• 3.3 小结73-74
• 参考文献74-76
• 第四章 重组酵母发酵木糖产乙醇的基础研究76-89
• 引言76
• 4.1 材料与方法76-78
• 4.1.1 主要仪器与试剂76-77
• 4.1.2 菌种及保藏77
• 4.1.3 培养基77
• 4.1.4 菌种的制备77
• 4.1.5 乙醇发酵77
• 4.1.6 分析方法77-78
• 4.2 结果与讨论78-87
• 4.2.1 氧气的影响78-79
• 4.2.2 温度的影响79-80
• 4.2.3 初始pH值的影响80-81
• 4.2.4 底物浓度的影响81-82
• 4.2.3 接种量的影响82
• 4.2.6 重组酵母发酵木糖的时间进程82-83
• 4.2.7 乙酸和糠醛的影响83-84
• 4.2.8 葡萄糖添加量的影响84-85
• 4.2.9 重组酵母共发酵葡萄糖和木糖的时间进程85-86
• 4.2.10 重组酵母的遗传稳定性86-87
• 4.3 小结87
• 参考文献87-89
• 第五章 重组酵母发酵半纤维素水解液的研究89-98
• 引言89
• 5.1 材料与方法89-91
• 5.1.1 主要仪器与试剂89
• 5.1.2 菌种及保藏89-90
• 5.1.3 半纤维素水解液及脱毒90
• 5.1.4 培养基90-91
• 5.1.5 菌种的制备91
• 5.1.6 乙醇发酵91
• 5.1.7 分析方法91
• 5.2 结果与讨论91-96
• 5.2.1 半纤维素水解液成分分析91-92
• 5.2.2 半纤维素水解液的脱毒处理92-95
• 5.2.2.1 活性炭吸附92-93
• 5.2.2.2 石灰中和93
• 5.2.2.3 真空浓缩汽提93-94
• 5.2.2.4 离子交换94
• 5.2.2.5 不同脱毒方法的比较94-95
• 5.2.2.6 浓缩汽提结合石灰中和的脱毒工艺95
• 5.2.3 脱毒后半纤维素水解液的乙醇发酵95-96
• 5.3 小结96-97
• 参考文献97-98
• 第六章 纤维素、半纤维素水解液共发酵产乙醇98-111
• 引言98
• 6.1 材料与方法98-100
• 6.1.1 主要仪器与试剂98
• 6.1.2 菌种及保藏98-99
• 6.1.3 纤维原料及预处理99
• 6.1.4 酶制剂99
• 6.1.5 酶解液的制备99
• 6.1.6 培养基99
• 6.1.7 菌种的制备99-100
• 6.1.8 乙醇发酵100
• 6.1.9 分析方法100
• 6.2 结果与讨论100-108
• 6.2.1 分步水解糖化发酵100-102
• 6.2.2 同步糖化发酵102-108
• 6.2.2.1 玉米秸秆纤维残渣的同步糖化发酵进程102-103
• 6.2.2.2 纤维二糖酶的影响103
• 6.2.2.3 酶用量的影响103-104
• 6.2.2.4 温度对的影响104-106
• 6.2.2.5 底物浓度的影响106-107
• 6.2.2.6 原料预酶解的影响107-108
• 6.3 小结108-109
• 参考文献109-111
• 第七章 固定化重组酵母发酵玉米秸秆水解液的研究111-129
• 引言111
• 7.1 材料与方法111-114
• 7.1.1 主要仪器与试剂111
• 7.1.2 菌种及保藏111-112
• 7.1.3 半纤维素水解液的脱毒112
• 7.1.4 酶解液的制备112
• 7.1.5 培养基112-113
• 7.1.6 固定化细胞的制备113
• 7.1.7 固定化细胞的乙醇发酵113-114
• 7.1.8 分析方法114
• 7.2 结果与讨论114-126
• 7.2.1 固定化重组酵母发酵木糖的特性114-119
• 7.2.1.1 固定化细胞与游离细胞发酵木糖进程的比较114-115
• 7.2.1.2 重复分批发酵115-116
• 7.2.1.3 乙酸和糠醛的耐受性116-117
• 7.2.1.4 初始pH值的影响117-118
• 7.2.1.5 底物浓度的影响118-119
• 7.2.2 固定化重组酵母发酵半纤维素水解液119-123
• 7.2.2.1 初始pH值的影响119
• 7.2.2.2 浓缩倍数的影响119-120
• 7.2.2.3 固定化细胞发酵半纤维素水解液的时间进程120-121
• 7.2.2.4 重复分批发酵121-122
• 7.2.2.5 重复分批发酵过程中固定化细胞的增殖培养122
• 7.2.2.6 发酵液的HPLC图谱分析122-123
• 7.2.3 固定化重组酵母发酵玉米秸秆酶解液123-126
• 7.2.3.1 混合糖的发酵123-124
• 7.2.3.2 酶解液的发酵124-125
• 7.2.3.3 重复分批发酵125-126
• 7.2.3.4 连续发酵126
• 7.3 小结126-128
• 参考文献128-129
• 第八章 基于纤维乙醇生产的玉米秸秆综合利用129-139
• 引言129
• 8.1 材料与方法129-131
• 8.1.1 工艺流程示意图129-130
• 8.1.2 纤维原料及预处理130
• 8.1.3 碱处理液的复用130
• 8.1.4 酶水解130
• 8.1.5 乙醇发酵130-131
• 8.1.6 木质素回收131
• 8.1.7 碱溶性半纤维素糖类的回收131
• 8.1.8 分析方法131
• 8.2 结果与讨论131-137
• 8.2.1 预处理前后玉米秸秆的成分分析131-132
• 8.2.2 玉米秸秆的酶水解132-133
• 8.2.3 乙醇发酵133-134
• 8.2.4 木质素的回收134-135
• 8.2.5 碱处理液中半纤维素糖类的回收135-136
• 8.2.6 工厂中试放大136-137
• 8.3 小结137
• 参考文献137-139
• 第九章 结论与建议139-142
• 9.1 结论139-141
• 9.2 建议141-142
• 附录142-143
• 致谢143

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木质纤维素制燃料乙醇的预处理研究    徐超;关东明;朱汉青;吴涛;陈超正;

高产酿酒酵母SCY6生长与发酵条件的优化    顾华祥;宋晨;李迅;

固定化纤维素酶对预处理纤维素原料水解效果的影响    吕浩;邢楠楠;林增祥;杜健;张红漫;

纤维素生物质新型水解技术的研究进展    徐桂转;常春;

白酒丢糟发酵生产蛋白质饲料的菌种筛选    李树明;黄治国;罗惠波;卫春会;

竹质纤维素的酶解糖化条件研究    李文华;温忠文;涂国全;

多菌联合发酵白酒丢糟生产蛋白质饲料的工艺优化    黄治国;罗惠波;卫春会;李树明;

纤维素热解及其产物转化乙醇的研究进展    常冬冬;余志晟;张洪勋;

湖北省农村生物质能源产业布局与发展研究    陈娟

玉米秸秆水解发酵制乙醇过程研究    曾庆梅

王草三种降解糖化技术的研究    马德勇

木质纤维素预处理及提高纤维素酶水解效率的研究    刘媛媛

二次纤维酸水解制取燃料乙醇的研究    赵银中

稻草γ辐照降解效果及酶解工艺优化研究    杨青丹

生物质发酵制氢细菌的富集优化研究及产氢过程分析    计新静

苦瓜总黄酮的提取及副产品发酵生产酒精的研究    于津津

不同预处理对再生植物纤维结构及水解反应影响的研究    侯玉林

三聚氰氯及其衍生物对纤维素结构及水解性能的影响    顾坚

纤维素稀酸水解糖化工艺的研究    肖豪

固定化酵母菌细胞去除Cd~（2＋）的研究    吴乾菁，李昕，李福德，赵宇，赵晓红

汽车使用乙醇汽油后醛酮类变化趋势的研究    彭华,吴新杰,李明,戎征

壳聚糖固定化纤维素酶在填充床式反应器中反应条件的研究    陈盛,林曦,余桂春

燃料乙醇工业发展对我国石油消费作用的实证研究    王成军,赵继光

我国推广车用乙醇汽油现状及相关对策    王莹

燃料乙醇在美国和巴西的发展    王成军

木质素的提取及应用    谭东

工业酵母菌株转化体系的建立    王颖,鲍晓明,杨国梁,史文龙,白凤武,曲音波

碱木素阴离子型高分子絮凝剂的合成与应用    陈俊平

植物纤维素原料生产燃料酒精研究进展    朱圣东;吴元欣;喻子牛;高明;

玉米秸秆酶水解条件的优化研究    吕学斌;张毅民;杨静;梁莹;马沛生;

酶酸联合水解玉米秸秆的实验研究    章冬霞;张素平;许庆利;亓伟;朱振兴;颜涌捷;

玉米秸秆酸水解制糖新工艺    王欢;郭瓦力;王洪发;孙素荣;张建军;

玉米秸秆制乙醇预处理新工艺——“液化技术”    李阳;孙岩峰;张玉苍;何连芳;

HPLC法测定蒸汽爆破玉米秸秆水解液中的糖含量    陈敬文;张红漫;雷鸣柳;郑荣平;林增祥;黄和;

玉米秸秆分批补料获得高还原糖浓度酶解液的条件优化    宋安东;任天宝;张玲玲;王风芹;谢慧;

超声波/稀H_2SO_4预处理对玉米秸秆液体发酵产纤维素酶的影响(摘要)(英文)    杨培周;姜绍通;潘丽军;罗水忠;黄俊;

稻草秸秆的碱性臭氧预处理效果    李辉勇;金密;魏琴琴;李志光;

利用玉米秸秆水解液发酵生产2,3-丁二醇    司阳;夏黎明;

玉米秸秆酶水解影响因素的研究    黄爱玲,周美华

水解预处理对秸秆类生物质发酵生物制氢的影响    马红翠;陈景润;樊耀亭;

纤维素酶解花生壳产糖工艺的研究    夏春岚;刘丽荣;方波;王睿睿;

玉米秸秆生物转化制取酒精的中间试验    勇强;徐勇;宋向阳;余世袁;

生物质白腐菌改性与抗性变化的关系研究    徐春燕;张晓昱;

~(13)C标记玉米秸秆分解过程中有机碳变化规律研究    暴春平;郭岩彬;杨景娜;吴文良;孟凡乔;

不同加水量对玉米秸秆发酵酒精的影响    董惠钧;李华;贾士儒;

玉米秸秆的饲料加工利用技术探析    侯方安;康云友;

玉米秸秆双孢蘑菇冬种技术的研究与推广    孟丽;许桂芳;

利用玉米秸秆制备定向刨花板的研究    杨蕊;

长期施用玉米秸杆对黑土团聚体中腐殖质组成和性质的影响    陈辉;窦森;

广平秸秆饲料“远嫁”韩国    记者 郑惠华通讯员 马永存 郝爱良

玉米秸秆做温室：省钱效益高    乐亭县乐亭镇农业办 李世珍

广平4.5万亩秸秆变成饲料“罐头”    马永存、宁学玲、姜艳

玉米秸秆变成金    张相 罗立源 记者　付强

玉米秸秆饲料加工十大技术    

13万亩玉米秸秆何时生金    本报记者 杨涛军

冬季如何堆制玉米秸秆肥    吴凡

开鲁县为玉米秸秆管理“立法”    杨卫东

玉米秸秆栽培食用菌要点    沈瑞

如何用玉米秸秆栽培平菇    本报记者 王丽瑗

利用玉米秸秆制取燃料乙醇的关键技术研究    陈明

微波技术用于植物纤维素原料生产酒精的研究    朱圣东

粗糙脉孢菌AS3.1602乙醇发酵的代谢研究    张志华

以木质纤维素为原料发酵生产丙酮丁醇的过程以及科学机理研究    张杰

玉米秸秆为原料燃料乙醇制备的关键问题研究    李冬梅

微波辅助下木质纤维素降解与溶解过程的研究    牟莉

燃料乙醇固态发酵生产工艺的研究    王瑞明

发酵木糖产乙醇真菌的分离鉴定及产乙醇代谢特性的研究    庞宗文

玉米秸秆保质贮存及水热反应处理提高可生化性方法的研究    孙优善

稻草秸秆的预处理及生产乙醇的研究    孙万里

利用玉米秸秆水解液发酵生产2，3-丁二醇    司阳

康氏木霉与酿酒酵母混菌发酵玉米秸秆产乙醇的研究    刘梅

玉米秸秆干发酵产沼气工艺试验研究    武少菁

离子液体预处理玉米秸秆及纤维素酶水解研究    杨涛

纤维素酶高产菌株选育与玉米秸秆生产酒精工艺研究    王倩

甜椒有机栽培基质的研究    边鸣镝

玉米芯酶法糖化发酵生产乙醇的研究    赵晶

微生物处理玉米秸秆生产蛋白饲料的研究    张红莲

基于玉米秸秆乙醇化的氨化预处理与酶解工艺研究    晏飞来

松嫩草原重度盐碱化草地玉米秸秆改良研究    吴泠