纤维素衣康酸的生产及纤维素乙醇发酵中昂贵营养组分的替代

作     者：柳云龙 

作者单位：华东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建;鲍杰

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081703[工学-生物化工] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：木质纤维素 干法生物炼制技术 衣康酸 全干酒精糟 纤维素乙醇 

摘      要：利用淀粉和糖质原料生产衣康酸和乙醇已实现工业化生产,但高昂的原料价格(淀粉、糖及发酵营养物质等)影响着衣康酸和乙醇的生产成本及行业效益。木质纤维素生物质廉价、可再生,是非食用可发酵糖的丰富来源,但目前利用木质纤维素生物质生产生物基化学品依然存在许多瓶颈。干法生物炼制技术具有预处理效率高、多种抑制物高效脱除、低能耗和几乎无废水排放等优点;目前,衣康酸的生产存在显著的技术壁垒,且利用干法生物炼制技术生产衣康酸的研究还尚未发现,同时,在纤维素乙醇生产中常使用昂贵的酵母提取物或玉米浆作为营养添加物,这在一定程度上增加了纤维素乙醇的生产成本。本文第一部分以玉米秸秆为原料,通过干法生物炼制技术利用土曲霉(Aspergillus terreus)生产纤维素衣康酸。用7种典型抑制物来测试A.terreus M69对木质纤维素来源抑制物的耐受性,发现A.terreus M69对木质纤维素来源的三类抑制物有较弱的耐受性,这表明必需对玉米秸秆预处理后产生的抑制物进行高效脱毒。当使用玉米秸秆水解液进行发酵时,发现A.terreus M69不能正常生长与发酵,而用活性炭处理水解液后发酵得到33.6 g/L衣康酸,其得率为0.56 g衣康酸/g葡萄糖;这揭示了玉米秸秆水解液中乙酸(0.8 g/L)是导致A.terreus M69不能在水解液中正常生长及产酸的关键因素,且乙酸的存在无法避免。本文基于纤维素衣康酸发酵数据建立了纤维素衣康酸工业化生产模型,根据已建立的Aspen plus模型计算,衣康酸的最低售价(Minimum Itaconic acid Selling Price)为1.647 $/kg,低于衣康酸的市场售价(1.8 $/kg);此外,如果提高发酵微生物对乙酸的耐受性而不使用活性炭脱毒以及工程改造发酵微生物使其能够共转化葡萄糖和木糖,都可以进一步降低纤维素衣康酸的最低售价。第二部分探究了利用廉价营养物-全干酒精糟替代纤维素乙醇发酵中常用的玉米浆。分别利用酵母提取物、玉米浆、美国公司生产的全干酒精糟以及中国公司生产的全干酒精糟作为同步糖化共发酵未水洗麦秆过程中的营养添加物,发现两种全干酒精糟具有替代酵母提取物和玉米浆的潜力。评价不同来源全干酒精糟对乙醇发酵的影响,发现两种全干酒精糟取得的乙醇浓度及得率优于目前最具潜力的玉米浆廉价营养添加物;且在售价、乙醇浓度及得率方面,中国公司生产的全干酒精糟更具优势。为进一步提高乙醇浓度,利用纤维素及半纤维素含量高的水洗麦秆作为发酵原料,以中国公司生产的全干酒精糟为营养添加物,同步糖化共发酵积累了 74.6 g/L的高浓度纤维素乙醇。综上所述,本文以干法生物炼制技术为平台、木质纤维素生物质为原料,实现了较高浓度纤维素衣康酸的生产,并发现乙酸是制约纤维素衣康酸生产的关键因素;基于Aspen plus模型的技术-经济评价表明干法生物炼制技术生产纤维素衣康酸的巨大潜力。另外,通过廉价营养全干酒精糟实现了高浓度的纤维素乙醇生产,降低了纤维素乙醇的生产成本。