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甘蔗渣的常压甘油预处理及其纤维素乙醇浓醪糖化发酵

甘蔗渣的常压甘油预处理及其纤维素乙醇浓醪糖化发酵

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中国化学会第一届全国纤维素学术研讨会

作者：孙付保孟超然赵晓琴 Marie Rose Mukasekuru 江南大学生物工程学院糖化学与生物技术教育部重点实验室

生物燃料乙醇具有可再生性、碳中性(carbon—neutral)等优势,已成为最具潜力的绿色能源之一,受到中外研究者的广泛关注。但是,就目前发展水平来说,纤维素乙醇产量还难以接近淀粉质乙醇发酵的"三高"(高浓度、高转化率和高效率)水平。实... 详细信息

生物燃料乙醇具有可再生性、碳中性(carbon—neutral)等优势,已成为最具潜力的绿色能源之一,受到中外研究者的广泛关注。但是,就目前发展水平来说,纤维素乙醇产量还难以接近淀粉质乙醇发酵的"三高"(高浓度、高转化率和高效率)水平。实现纤维素乙醇发酵工业化的指标之一是通过预处理提高基质的可酶解性和纤维纯度来促进水解产糖,以及利用分批补料策略实现其浓醪发酵过程是目前常用手段。基于此,本论文尝试:1)以酸/碱催化的常压甘油有机溶剂预处理进一步提高预处理后基质的纤维素纯度和可酶解性;2)以添加剂和辅助酶实现基质在低酶载量条件下浓醪水解糖化;3)纤维素乙醇浓醪发酵。具体研究结果如下:依据"高温短时"理念,构建出碱催化的常压甘油有机溶剂预处理方法:Na OH添加量0.2%(w/w)、蒸煮温度240oC、蒸煮时间10 min时预处理后甘蔗渣基质纤维素、半纤维素和木质素含量分别为57%、28%和10%,纤维素和半纤维素保留分别达到88%和80%,木质素脱除率为75%。有趣的是,常压甘油有机溶剂预处理过程几乎不生成发酵抑制物。利用现代分析技术(SEM, AFM,CLSM,FTIR和XRD)表征甘蔗渣物料预处理前后的组成结构变化,初步明晰了常压甘油有机溶剂预处理有效提高基质可酶解性的原因。在低酶载量(3 FPU/g)条件下利用添加剂和辅助酶,采用补料分批模式实现上述基质的浓醪(20%和35%)糖化水解。实验采用8%为基质浓度,然后在6 h, 12 h和18 h依次补加4%基质,最终基质浓度为20%。在酶载量3 FPU/g条件下,初始一次性加入最优浓度的添加剂(吐温80、牛白蛋白和茶皂素)和辅酶(内切木聚糖酶和辅酶AA9)在水解72小时纤维素酶解率达到83%,并生成105 g/L葡萄糖和51 g/L木糖,即可发酵性糖达160 g/L;进一步采用机械搅拌湿基浓醪(35%基质浓度)酶解时,72 hr酶解率接近80%,葡萄糖和木糖分别达160 g/L和70 g/L,即可发酵性糖高达230 g/L,达到历史新高水平。以碱催化预处理甘蔗渣为底物,遵循"高基质浓度、低酶载量"原则开展纤维素乙醇的浓醪发酵研究。为了有效运行分批补料式半同步糖化发酵工艺,对分批补料的关键参数(初始基质浓度、补料时间点、补料量和补料次数等)进行优化。最终确定初始基质浓度为18%,在酶解第12 hr、18 hr、24 hr、30 hr分别补加相当于总基质浓度4%、5%、4%、4%的干基。在前期优化得到的条件基础上添加内切木聚糖酶蛋白0.7 mg·g干基、牛血清白蛋白15 mg·g干基和溶解性多糖单加氧酶家族中的Auxiliary Activity 9 (AA9)蛋白0.1 mg·g干基,采用机械搅拌代替摇床震荡。在该条件下进行总基质浓度为35%的分批补料式半同步糖化发酵,预酶解48 hr葡萄糖和木糖浓度分别达到153.5 g·L和56.1 g·L,此时接种发酵72 hr时乙醇浓度高达75.1 g·L,纤维素—乙醇转化率为68.5%,发酵强度1.0 g·L·hr。通过本论文工作,实现了低纤维素酶载量条件下的纤维素乙醇发酵,为当前纤维素乙醇工业化提供借鉴。

关键词：常压甘油有机溶剂预处理甘蔗渣浓醪酶解糖化纤维素乙醇浓醪发酵辅助酶和添加剂

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综合利用甘蔗渣发酵乙醇的研究

综合利用甘蔗渣发酵乙醇的研究

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作者：杨林青江南大学

学位级别：硕士

纤维素乙醇作为最有希望的绿色能源之一,获得了国内外学者的广泛研究。然而,目前纤维素乙醇距离工业化生产目标(高转化率、高浓度、高效率)仍有较大差距。采取合适的预处理技术可提升基质可酶解性和通过分批补料实现其高浓酶解糖化发酵... 详细信息

纤维素乙醇作为最有希望的绿色能源之一,获得了国内外学者的广泛研究。然而,目前纤维素乙醇距离工业化生产目标(高转化率、高浓度、高效率)仍有较大差距。采取合适的预处理技术可提升基质可酶解性和通过分批补料实现其高浓酶解糖化发酵是颇有潜力的有效策略。基于此,本论文拟在低酶载量条件下开展甘蔗渣预处理技术和浓醪酶解发酵的研究。具体研究内容如下:首先,论文开展酸/碱催化的常压甘油有机溶剂预处理(AGOP)的研究。通过对影响预处理的实验条件进行单因素和响应面设计,实验确定酸催化常压甘油有机溶剂预处理(ac-AGOP)条件:预处理温度245°C、加酸量0.1%(w/w)、预处理时间38 min。碱催化常压甘油有机溶剂预处理(al-AGOP)条件:预处理257°C、加碱量0.27%(w/w)、预处理时间18 min。论文接着利用新型现代表征技术(TGA、SEM、FTIR、XRD、CLSM等)分析表征预处理前后甘蔗渣基质的空间结构和化学组分变化,初步明晰ac-AGOP和al-AGOP显著提高基质可酶解性的原因。然后,论文尝试建立al-AGOP基质的高效糖化和发酵工艺。实验以提升可发酵性糖和乙醇浓度为目的,通过单因素和正交优化实验最终确定:al-AGOP基质在19%基质浓度和酶载量为6 FPU·g干基条件下,于预酶解初期分别添加10 mg·g干基BSA、25mg·g干基Tween 20、10 mg·g干基茶皂素和0.6 mg·g干基木聚糖酶,发酵初期添加0.1 mol·L氮(酵母提取物),进行半同步糖化发酵。在上述条件下,基质预酶解60 h时葡萄糖浓度为95.0 g·L和酶解率为81.8%;此时接种发酵48 h乙醇浓度为43.0 g·L,纤维素乙醇转化率74.1%,发酵强度为0.9 g·L·h。最后,论文展开对纤维素乙醇浓醪糖化发酵过程的研究。实验分别考察了湿基含水量、初始基质浓度、分批补料和延长预酶解时间等方式对增强高基质浓度糖化发酵的影响,最终确定:湿基含水量50%和初始基质浓度19%,在酶解第7 h、10 h和13 h分别补料6%、5%和5%以使总基质浓度达到35%(w/v)。这样,实验在上述反应条件下,运行半同步糖化发酵全程。预酶解48 h时葡萄糖浓度高达160.7 g·L、木糖浓度达58.7g·L;发酵48 h时乙醇浓度高达78.2 g·L,纤维素乙醇转化率73.2%,发酵强度1.6 g·L1·h。

关键词：甘蔗渣酸/碱催化常压甘油有机溶剂预处理浓醪酶解糖化分批补料纤维素乙醇

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