酶解工业纤维废渣生产乙醇技术的研究

作     者：沈加成 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曲音波;朱明田

授予年度：2008年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：纤维素酶系 β-葡萄糖苷酶 生物乙醇 木糖渣 同步糖化发酵 

摘      要：利用地球上最丰富且廉价的可再生生物质资源——纤维素材料转化生成燃料乙醇，具有重要的社会、经济和生态意义。酶法生产纤维素乙醇目前面临多种困难：纤维素原料比重轻，收集运输不方便;原料结构复杂，需要深度预处理;纤维素酶系的酶解效率有待提高;半纤维素转化形成的木糖难以有效转化形成乙醇等。本论文以玉米芯深加工生产木糖工业产生的废渣-木糖渣为原料，初步探讨了同步糖化发酵(SSF)木糖渣生产乙醇的技术。由于木糖渣中的纤维素已经过深度预处理，非常容易被纤维素酶水解生成葡萄糖，进而发酵生成乙醇。本论文以提高SSF过程中原料的乙醇得率和纤维素的转化率为目的，针对β-葡萄糖苷酶活性不高导致纤维二糖积累阻遏酶活作用以及斜卧青霉(Penicillium decumbens)JU-A10同步糖化发酵体系中存在的问题，开展了以下三个方面的研究工作： 一，以筛选得到能够有效利用木糖渣为碳源生产β-葡萄糖苷酶的菌株为目标，利用N注入棘孢曲霉(Aspergillus aculeatus)L22，筛选得到一株β-葡萄糖苷酶活显著提高的突变株，命名NIP35，通过单因子实验结合正交实验对其液体培养基成分进行了优化，并对其固态培养进行了初步的摸索。结果发现，在培养基组成为3％酶解木糖渣，3％麦麸，0．5％(NH)SO，0．3％CaCO，0．5％KHPO，0．05％MgSO，0．2％Tween-80，pH自然条件下，30℃，200rpm摇瓶振荡培养5d，水杨苷法测得酶活为16．24 IU／ml，比未优化培养基时提高了0．84倍，较出发菌株提高了2．87倍。 二，产滤纸酶活水平较高的JU-A10和产β-葡萄糖苷酶活水平较高的NIP35液体培养液的混合，可以有效地克服原酶系中β-葡萄糖苷酶活性不高的问题。实验通过酶配比用量、发酵温度、酵母用量、料水比、发酵时间、表面活性剂的影响等比较实验，对同步糖化发酵木糖渣实验条件进行了优化，并探讨了木糖渣-玉米粉共发酵的可行性。研究表明，当滤纸酶活和β-葡萄糖苷酶活用量分别为20IU／g，料水比1：10，酵母用量0．2％(g/g)，发酵36h即可达到原料近25％的乙醇得率，纤维素利用率高达73％。添加适量的表面活性剂Tween-80能够一定程度的提高乙醇的得率，但Tween-20却表现出抑制作用。木糖渣-玉米粉共发酵实验表明，利用混合酶液自身的淀粉酶转化淀粉可以进一步的提高发酵液的乙醇浓度，有效降低了后期蒸馏工序的耗能。 三，初步摸索了青霉、曲霉混合培养的可能性。青霉、曲霉由于存在属间差异，生长速度、培养基组成、生长条件等均不相同。为了使两株菌能够友好地共同生长、产酶，得到一个酶活水平高，配比合理的纤维素酶系组成，本研究分别实验了三种不同的接种方式：①不同比例种子液接种;②不同数量孢子接种;③不同时间接种。结果发现，降低混合种子液中曲霉的比例，延缓曲霉种子接入的时间可以提高酶液中滤纸酶活水平，但仍低于二者单独培养时酶活水平，且没有达到1：1的理想比例。