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汽爆玉米秸秆发酵制取生物丁醇的试验研究

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摘要

石油短缺和价格上涨已经成为制约全球经济发展的主要因素之一,因此新型生物能源的开发已成为社会发展的必然趋势。而以秸秆为原料发酵生产的新一代生物燃料-丁醇,具有原料来源广泛、价格低廉、可再生、缓解环境危机和粮食危机等优点,已成为替代石油能源的重要选择之一。但是,目前国内外对以汽爆玉米秸秆为原料发酵丁醇还缺少较系统的深入研究。因此,本文对以汽爆玉米秸秆为原料进行丁醇发酵展开了研究。首先介绍了丁醇作为燃料的优越性、秸秆发酵生物丁醇燃料的重要意义以及丁醇发酵在国内外的研究进展;其次,阐述了纤维原料预处理的方法和纤维素原料酶解液中的副产物对发酵的抑制作用,以及几种酶解液脱毒方法的分析和比较;进一步阐述了丁醇发酵的代谢机理和几种丁醇发酵工艺的研究进展,以及推进秸秆发酵制取丁醇燃料工业化的几个亟待解决的问题和发展前景。
　　 本论文以汽爆玉米秸秆为原料,主要从木质纤维素发酵生产生物丁醇的研究进展、汽爆玉米秸秆脱毒工艺和糖化工艺的考察、抑制剂成分分析、秸秆发酵丁醇工艺条件的优化以及秸秆发酵丁醇的动力学研究等几个方面对汽爆玉米秸秆发酵丁醇工艺进行了考察,结论如下:
　　 (1)通过对以汽爆玉米秸秆为原料的不同脱毒发酵试验结果的考察和比较,得出汽爆玉米秸秆经脱毒工艺Ⅳ处理后,再进行丁醇发酵,丁醇浓度达到了6.33g/L,糖耗率为84.17％,远高于其它九种脱毒发酵的丁醇产量和糖耗率,因此得出脱毒工艺Ⅳ,即汽爆玉米秸秆经水洗预处理脱毒后,再经酶解、离心去除沉淀物,并补加营养物质是一条较佳的脱毒工艺路线;用高效液相色谱检测出汽爆玉米秸秆酶解液中含有的抑制剂成分有甲酸、乙酰丙酸、羟甲基糠醛和糠醛。水洗脱毒能够有效解除丁醇发酵的抑制作用,可明显降低甲酸的含量,乙酰丙酸次之,然后是羟甲基糠醛,最后是糠醛。
　　 (2)以还原糖含量和发酵丁醇浓度为考察目标,通过对不同糖化工艺试验结果的比较和分析,得出糖化工艺V,即首先加入纤维素酶量的1/3,反应24 h后,再加入1/3纤维素酶,剩下的纤维素酶再隔12 h后加入,共糖化48 h是一条较佳的工艺路线。
　　 (3)采用单因素分析和正交试验,对丁醇发酵工艺中8个影响因素进行考察研究,得到了在温度37℃,pH7.0,底物浓度(质量分数)15%,纤维素酶用量30IU/g,菌种种龄27 h,接种量7%及优化的培养基组成:酵母抽提物1 g/L、KH2PO40.8 g/L、MgSO4·7H2O0.1 g/L、(NH4)2SO42 g/L、FeSO4·7H2O0.03 g/L、尿素2 g/L和发酵周期为48 h的条件下,丁醇浓度达到9.42 g/L。表明脱毒处理后的汽爆玉米秸秆酶解液发酵丁醇,取得了良好的发酵效果,这些结果可以为进一步放大试验研究提供重要的参考依据。
　　 (4)通过对脱毒处理后的汽爆玉米秸秆酶解液发酵丁醇进行动力学研究,构建了汽爆玉米秸秆酶解液发酵丁醇的动力学模型,其模型为:底物消耗模型:dS/dt=0.2742dX/dt-0.2446X;菌体生长模型:dX/dt=0.0466S/0.2071+S(1-0.1254P);丁醇产物形成模型:dPB/dt=-0.6056dX/dt+0.0574X;丙酮产物形成模型:dPA/dt=-0.0890dX/dX+0.0193X;乙醇产物形成模型:dPE/dt=-0.1084dX/dt+0.0073X。
　　 该模型的建立可以反映汽爆玉米秸秆发酵制取生物丁醇的过程,为以后的放大试验研究和自动化控制提供依据。

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