论文部分内容阅读
木质纤维素是自然界中存在的极为广泛的可再生资源,其中有大量的农业废弃物如秸秆、玉米芯等产生,因此农业废弃物的可再生利用意义巨大。玉米芯作为一种典型的农业废弃物,量大且价格低廉,是生产燃料乙醇的理想原料。本文通过对木质纤维素生产燃料乙醇的整个工艺过程进行优化,包括预处理、酶解糖化、同步糖化发酵(SSF)以及纤维素酶的固定化进行研究,来提高乙醇浓度和降低生产成本。预处理的实验结果表明：硫酸-乙醇的最佳预处理条件为硫酸质量分数2%、乙醇体积分数50%、预处理温度120℃、预处理时间60min、固液比1：10,在此条件下预处理后的玉米芯酶解得率为68.48%。氢氧化钠耦合乙醇预处理的最佳条件为：氢氧化钠质量分数2%、乙醇体积分数50%、预处理温度60℃、预处理时间60min、固液比1：10,预处理后的玉米芯中纤维素含量为73.11%,木质素含量明显降低,木质素的脱除率达到74.48%,玉米芯的酶解得率为77.29%,并且实验条件较硫酸-乙醇预处理条件温和。采用海藻酸钠为载体、戊二醛为交联剂制备固定化纤维素酶,探讨戊二醛浓度、纤维素酶添加量、交联时间和交联温度对固定化纤维素酶酶活力影响。通过对固定化纤维素酶和游离纤维素酶的性质比较,包括最适温度、最适pH、热稳定性、储存稳定性和重复使用稳定性等方面,结果表明：固定化纤维素酶的最适温度为60℃,最适pH为5.8,热稳定性、重复使用稳定性和储存稳定性都明显提高。利用氢氧化钠耦合乙醇预处理后的玉米芯进行SSF实验,结果表明：SSF工艺的最佳条件为：底物浓度5%、纤维素酶添加量20FPU/(g玉米芯)、酵母菌接种量5%、发酵温度38℃、发酵时间72h,在此条件下,乙醇的浓度可以达到12.93g/L,转化率达到62.28%；SSF实验前对原料进行预糖化可提高乙醇的生产能力,并且能够明显缩短发酵周期,预糖化12h最佳,在同步糖化发酵36h即可以达到终点,乙醇浓度达到12.97g/L；采用分批补料工艺进行高底物浓度同步糖化发酵,使得乙醇浓度能够达到19.13g/L。在前人研究成果的基础上,推导出了SSF工艺中还原糖变化的动力学方程。并利用非线性动态变化惯性权重的自适应粒子群优化算法对玉米芯SSF工艺中的菌体生长、产物生成以及还原糖消耗模型进行参数辨识,并对这些模型进行拟合。结果表明：模型的拟合值与实验数据吻合较好。