小麦秸秆预处理方法研究与乙醇发酵工艺探讨

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随着石油、煤炭等黑金能源的日益减少和人类对能源需求量的不断增加,各国都把目标转移到了可再生能源,特别是木质纤维素燃料乙醇,具有极其广阔的前景,但其原料的预处理和己糖-戊糖混合发酵技术的不成熟是限制发展的主要因素。   为了得到较好的秸秆预处理方法及乙醇发酵工艺,本文以小麦秸秆为原料,基于秸秆组分的全利用理念,采用了两种处理方法对秸秆组分进行处理,并选择处理效果较好的方法进行后续乙醇发酵工艺研究。经试验研究,各个工艺条件结果如下:   1.采用了乙醇发酵同步预处理方法,分两步对小麦秸秆进行预处理,研究表明,在发酵过程中加入小麦秸秆进行第一步处理,当加入比例为小于1:25(g/ml),时,不会对发酵造成影响,另外,通过单因素实验和正交实验发现,以发酵后醪液为处理液进行蒸煮脱木素,其最佳工艺为:乙醇浓度60%(v/v)、处理温度100℃、处理时间150min,处理后木素脱出率达到52.3%,酶解后,还原糖得率为36.2%(还原糖/秸秆)。   2.多聚磷酸体系处理小麦秸秆。实验研究发现,稀磷酸水解秸秆半纤维素的最佳条件为:稀磷酸浓度9.0%、液固比10、温度120℃、时间130min,水解后木糖得率为20.1%(木糖/秸秆);多聚磷酸-乙醇法处理脱木素的最佳条件为:多聚磷酸浓度(以P2O5计)66%,温度50℃,时间55min,处理后葡萄糖得率为76.8%,酶解率为89.1%,在过程中纤维素的损失率为13.8%,木素脱出近50%。另外,在碱性条件下纤维素残渣经过H2O2处理后,酶解率和葡萄糖得率分别提高到了94.5%和81.2%,木素的脱出率达到71.2%。多聚磷酸体系处理秸秆后,总的还原糖得率为52.5%(还原糖/秸秆)。从秸秆组分的利用率和还原糖得率以及经济角度对比发现,相对于第一种方法,采用多聚磷酸体系对秸秆进行预处理具有较好的效果。   3.在磷酸体系处理秸秆过程中,由于半纤维素的酸水解条件剧烈,水解液中必定存在影响微生物生长和发酵的物质,特别是多酚类化合物,需对水解液进行脱毒处理。探讨了8种脱毒方法对木糖损失率和酚类脱出率的影响,研究发现,树脂XDA-1+CaCO3,脱除酚类效果最好,木糖损失率较低,并且研究了XDA-1树脂脱酚的最佳条件为:流速1.5 ml/min,进样浓度为0.3 mg/ml,进样pH为2.0,在此条件下,酚类脱出率可达97.7%,还原糖损失率为5.8%,采用80%乙醇洗脱,酚类解吸率达到了91.6%,总回收率达到88.9%。   4.初步探讨了混糖混菌发酵的最优条件,研究发现,其最佳的发酵工艺条件为:葡萄糖与木糖的比例为3:2,初始糖浓度为100 g/L,初始pH为5.5,在32℃下进行嗜单宁管囊酵母和酿酒酵母混合发酵44h,平均乙醇浓度为35g/L左右,最大糖醇转化率为35.6%,达到混合发酵理论值的72.1%。从经济角度来看,混糖发酵优于分步发酵,具有较大的应用前景。
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