秸稈預處理副產物對纖維素乙醇發(fā)酵的抑制及去抑制研究.pdf

1、纖維素乙醇因其原料產量豐富、來源廣泛、廉價而備受關注，但是由于纖維素乙醇的生產成本過高，至今仍未實現真正的大規(guī)模的商業(yè)化生產。原料預處理過程中產生的副產物對酶解和發(fā)酵的“毒性”問題是纖維素乙醇走向產業(yè)化的瓶頸問題之一。本文以解決纖維素乙醇生產中的“毒性”問題為目標，以中糧集團提供的蒸汽爆破預處理玉米秸稈（SECS）和美國可再生能源實驗室（NREL）提供的稀酸預處理玉米秸稈（APCS）為研究對象，圍繞抑制物分析及作用機理、篩選和開發(fā)解毒工

2、藝及不同解毒工藝的解毒效能展開了研究。
　　首先，本文定性和定量地分析了 SECS和APCS產生的副產物，并考查了其抑制作用。結果表明SECS和APCS產生的副產物種類均很復雜，其中APCS和SECS分別產生60和49種有機物，多為酸、醇、酚和呋喃類化合物。APCS產生的主要抑制物濃度遠高于SECS，其毒性也高于SECS。SECS和APCS產生的金屬離子無論單獨存在還是聯(lián)合存在于發(fā)酵液中，都對發(fā)酵有輕微的抑制作用，但是抑制作用不疊

3、加；SECS產生的鹽度（<50g/L）、有機酸和呋喃類化合物，獨立濃度均未達到致毒濃度，聯(lián)合抑制是 SECS副產物抑制作用的主要形式；有機物（尤其是有機酸）對發(fā)酵的抑制作用受pH影響很大，pH≦5.0時，SECS產生的有機抑制物聯(lián)合作用對乙醇發(fā)酵的抑制率均在90％以上； pH=5.5時，SECS產生的有機酸反而對發(fā)酵有促進作用。確定了控制pH和減小聯(lián)合抑制作用是去除 SECS副產物對酵母發(fā)酵產乙醇抑制的重點。APCS產生的鹽度（>70g

4、/L）會對發(fā)酵產生嚴重的抑制作用，產生的有機酸和呋喃類化合物中，乙酸（1.25×104 mg/L）和5-HMF（1592 mg/L）的濃度也均達到了單獨對釀酒酵母致毒的濃度，因此確定去除乙酸、5-HMF和降低鹽度是去除APCS副產物對酵母發(fā)酵產乙醇抑制的關鍵。
　　其次，比較和評價了水洗、加大釀酒酵母接種量、氫氧化鈣過量等幾種解毒方法對 SECS的解毒作用。發(fā)現用3倍水洗處理、酵母接種量增加到10g/L和應用改進的氫氧化鈣過量法均

5、可使乙醇得率（相對葡萄糖）達到95%以上。發(fā)現氫氧化鈣過量法中產生的沉淀物對解毒至關重要，解毒處理后，需要在酶解發(fā)酵前將沉淀物轉移出發(fā)酵體系，否則沉淀物的存在對糖化和發(fā)酵都有影響。發(fā)現水洗和氫氧化鈣過量法均會造成 APCS糖的損失，而加大酵母接種量是一種可以獲得較高纖維素乙醇得率（95.8%）的方法。
　　再次，發(fā)現纖維素降解菌 Aspergillus nidulans UOA/HCPF10647的解毒功能，測定和評價了該菌在解毒

6、過程中產生的酶活（0.49IU/ml濾紙酶活和0.22IU/mlβ-葡葡萄糖苷酶活，相當于添加的商品纖維素酶活的22%和添加的β-葡葡萄糖苷酶活的99%），確定了Aspergillus nidulans UOA/HCPF10647對葡萄糖的代謝速率（約為酵母的1/14.5）遠小于釀酒酵母，開發(fā)了分別適合SECS和APCS的固體和菌絲體生物解毒菌劑和可以同時解毒和產酶的在線生物解毒工藝。應用在線生物解毒工藝，SECS和APCS的葡萄糖乙醇

7、轉化率分別達90%和99%以上。除Aspergillus nidulans UOA/HCPF10647外，通過對其他纖維素降解菌Aspergillus niger NRRL330、Penicillium decumbens NRRL741、Penicillium chrysogenum NRRL821、Aspergillus niger NRRL1956、Penicillium funiculosum NRRL3647、Trichode

8、rma viride NRRL54020和Trichoderma reesei ATCC13631的解毒能力的考查，發(fā)現除NRRL54020和NRRL821，其它菌均具有去除抑制物能力，推測纖維素降解菌可以去除預處副產物可能是一種普遍存在的現象。確定了纖維素降解菌去除抑制物的規(guī)律，發(fā)現了可能普遍存在于纖維素降解菌解毒過程的、通過控制糠醛的量控制糖消耗的方法。研究發(fā)現了各菌之間解毒能力和產酶能力的差異，推薦通過菌之間的復配，讓產酶和解毒功

9、能都得到最大程度的發(fā)揮。
　　最后，通過對篩選和開發(fā)出來的水洗、生物解毒和加大酵母接種量三種解毒方法的解毒效能研究，得出三種解毒方法都有較好的抑制物去除能力，解毒過程造成的糖損失都在可接受范圍內，也都能獲得較好的乙醇得率的結論。而通過解毒工藝過程的分析可知，加大酵母接種量法物耗費用過高，即使次產物全部回收利用，其解毒費用也要占到纖維素乙醇生產成本的50%左右；水洗法的物耗加上次產物處理的總費用約為生產成本的2.2%~2.8%；應用