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生物质能源是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,目前生物质能源的主要形式有燃料乙醇、生物柴油、沼气等,其中燃料乙醇是世界上生产和使用规模最大的生物质能源,而用甜高粱秸秆作为原料生产燃料乙醇逐渐成为最具发展前途的方法之一。
甜高粱(Sorghum bicolor Moench L.)是一种具有较高生物产量的C4作物,秸秆可溶性固形物含量高达15～20％,是生产燃料乙醇的适宜原料之一。甜高粱鲜秸秆除含糖外,其余成分主要为木质素、纤维素、半纤维素。目前存在木质素化学结构稳定较难降解,纤维素水解率低,利用半纤维素水解产物发酵的菌种较少等问题。在物理、化学和生物三种预处理方法中,利用微生物发酵预处理木质纤维素的方法最具发展潜力。为了提高甜高粱秸秆发酵燃料乙醇得率,本研究采用黄孢原毛平革菌、康氏木霉对甜高粱秸秆进行预处理,采用响应面法优化菌株的发酵条件提高酶活,增加木质素、纤维素等成分的水解;并同时优化了甜高粱秸秆液态和固态发酵工艺,主要研究结果如下:
1.本试验采用偏最小二乘回归法建立了甜高粱秸秆中纤维素,酸不溶木素、水分、灰分等组分建立近红外光谱定量分析校正模型。纤维素、酸不溶木质素、灰分、水分含量的校正模型相关系数分别为:0.9468,0.8112,0.9069,0.8199。研究结果表明,近红外漫反射光谱法可以快速测定秸秆各主要成分。由于目前国内尚未建立不同地区甜高粱秸秆的NIRS快速测定方法,因此模型的建立意义重大,可以用于生物质可再生能源的组分和饲用品质的预测,对加速我国可再生能源的发展进程及饲用品质评估均有重要的现实意义。
2.利用黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)降解木质素,通过正交试验确定了木素过氧化物酶的最佳培养条件为:培养13 d,接种0.5 mL,料水比1:2.5,培养温度25℃,酶活771 U/mL。同时检测到漆酶的存在,酶活为29 U/mL。
3.筛选绿色木霉(Trichoderma vinde)、康氏木霉(Trichoderma koningii)适合甜高粱秸秆基质的菌株,结果显示,康氏木霉生长状况良好,纤维素酶活力高。通过Plackett-Burman试验筛选对康氏木霉发酵产酶影响显著的因素,试验结果表明培养时间、温度影响显著。采用Center Composite Design响应面优化最佳产CMC酶活条件为:培养7d,温度25.4℃,酶活58.18 U/mL;β-葡萄糖苷酶为:培养6.6 d,温度27℃,酶活77.7 U/mL。
4.本研究采用Box-Behnken Design响应面对甜高粱液态发酵过程添加营养盐的效果进行考察和评价,确定较优的发酵条件,以备为后续放大试验提供理论依据。模型R2=0.9662,预测精度高,预测值和实测值相关性高。最适添加量为:(NH4)2SO4=A g/L、MgSO4=Bg/L、KH2PO4=Cg/L、CaCl2=D g/L于甜高粱汁液态发酵,酒精度为9.9％。
5.采用经粉碎预处理的四粒美秸秆,进行了50 kg发酵池固态放大发酵试验。研究结果显示,发酵时间48 h时,酒精度3.5％(v/v),总糖含量3.58％,还原糖含量0.11％,pH值为4.67,酵母总数为1.52×109。本试验所采取的固态发酵法,工艺简单,操作简便,便于推广。适宜农村种植甜高粱后,就地加工提取粗乙醇,然后将粗乙醇集中到乙醇企业精加工为燃料乙醇。本试验探讨了固态发酵技术生产燃料乙醇的技术可行性,旨在为工业化生产绿色能源提供科学依据。